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201
1
Cálculos de Estrutura Electrónica de Fos�itos Quirais e seus Complexos Metálicos.
Avaliação na Reacção de Hidrogenação Catalítica
Ângela Cristina Barrôco Neves
Mestrado em Química
Departamento de Química
FCTUC
2011
Ângela Cristina Barrôco Neves
Cálculos de Estrutura Electrónica de Fosfitos
Quirais e seus Complexos Metálicos.
Avaliação na Reacção de Hidrogenação Catalítica
Dissertação apresentada para provas de Mestrado em Química, área de
especialização em Processos Químicos Industriais
Orientador: Maria Miguéns Pereira
Co-orientador: Paulo Eduardo Abreu
Julho de 2011
Universidade de Coimbra
Agradecimentos
A concretização do trabalho que levou à escrita desta dissertação, não teria sido possível,
sem a ajuda de várias pessoas, às quais quero agradecer.
À Professora Doutora Maria Miguéns Pereira pela orientação, disponibilidade e discussões
científicas ao longo da realização deste trabalho e escrita desta dissertação, e também pela oportunidade
de poder fazer parte deste projecto.
Ao Professor Doutor Paulo Abreu, pela co-orientação, todos os ensinamentos e ajuda,
fundamentais, na parte computacional, bem como por todas as palavras de apoio e incentivo durante
todo este percurso.
À Doutora Andreia Peixoto pela colaboração, disponibilidade, conhecimentos transmitidos e
instrução laboratorial.
Ao Professor Doutor Mário Túlio Rosado pela colaboração nos cálculos computacionais dos
monofosfitos.
Ao serviço do Laboratório de Ressonância Magnética Nuclear (L-RMN) do Centro de Química da
Universidade de Coimbra, nomeadamente ao Pedro, pelos serviços prestados.
À Ana, por toda ajuda e ensinamentos na parte experimental, ao Rui e ao Artur, também pela
instrução laboratorial e discussões científicas, à Mirtha pela colaboração e apoio na parte computacional,
e a todos os colegas do laboratório, em geral, pela boa disposição e simpatia.
Aos meus amigos, pelos momentos descontraídos e por todas as palavras de incentivo
principalmente nesta fase, e em especial à Carina pelas oportunidades de trabalho, que em muito
contribuíram para a concretização desta etapa.
A toda a minha família e ao Zé pelo apoio, amizade e carinho que sempre me transmitiram.
Ao Túbia por estar sempre presente.
E, acima de tudo, quero agradecer à minha Mãe, a quem dedico esta tese, pelo apoio
incondicional durante todas as etapas da minha vida, amizade e paciência que sempre demonstrou, e,
claro, também ao meu Pai (apesar de já de não estar presente), porque, sem eles, nada disto seria
possível.
i
Índice
Índice i
Nomenclatura / Abreviaturas iii
Resumo vii
Abstract ix
Capítulo 1: Introdução 1
1.1 Estudos computacionais 2
1.1.1 Equação de Equação de Schrödinger 2
1.1.2 Superfície de energia potencial (SEP) 3
1.1.3 Método de Hartree-Fock 5
1.1.4 Métodos semi-empíricos 7
1.1.5 Teoria da funcional da densidade 10
1.1.6 Modelo de contínuo polarizável 14
1.2 Hidrogenação catalítica 14
1.2.1 Hidrogenação catalítica assimétrica 16
Referências 23
Capítulo 2: Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos 25
2.1 Síntese de monofosfito helicoidal com eixo de simetria C3 26
2.2 Síntese e estudos de caracterização de complexos de Rh(I) 32
2.2.1 Síntese de complexos de Rh(I) de ligandos do tipo monofosfito 32
2.2.2 Síntese de complexos de Rh(I) do tipo difosfito 34
2.3 Cálculos de estrutura electrónica de ligandos e seus complexos metálicos 38
2.3.1 Ligandos do tipo monofosfito e seus complexos de Rh(I) 38
ii
2.3.2 Ligandos do tipo difosfito e seus complexos metálicos 46
Referências 56
Capítulo 3: Reacções de hidrogenação enantiosselcetiva catalisada por complexos de ródio
derivados do BINOL
57
3.1 Hidrogenação catalítica assimétrica do itaconato de dimetilo 58
Referências 65
Capítulo 4: Conclusões 67
Capítulo 5: Experimental 71
5.1 Métodos computacionais 71
5.2 Instrumentação e solventes 72
5.3 Síntese de ligandos de fósforo 75
5.3.1 Síntese do precursor, [(S)-2’-adamantanoato de 1,1’-binafto-2-hidroxilo] 75
5.3.2 Síntese do monofosfito tris[(S)-2’-adamantanoato de 1,1’-binafto-2-ilo] fosfito 76
5.4 Síntese de complexos metálicos 78
5.5 Procedimento geral para a hidrogenação catalítica assimétrica do itaconato de dimetilo 79
Referências 82
iii
N
OO
OO
P
O
OP
1'2'
3'
4'
1
43
2a
bc
de
f
Nomenclatura e Abreviaturas
Nomenclatura
Nesta dissertação foram seguidas as recomendações da nomenclatura IUPAC de 1993 para
numerar e nomear alguns dos compostos.1
A título de exemplo, no Esquema I, apresenta-se a numeração adoptada para um dos ligandos do
tipo bis-BINOL-fosfito estudados. Nos sistemas policíclicos a estrutura parental é sempre atribuída ao
anel que contém heteroátomos. Num anel que contém os heteroátomos fósforo e oxigénio, o de menor
prioridade surge como sufixo da estrutura parental (fósforo) e o de maior prioridade (oxigénio) como
prefixo (dioxafosfepin-). A numeração é dada tendo em conta a aproximação ao anel parental (dar
prioridade à face na ordem a→b→c, etc) ao outro anel cíclico (2,1-d:1’,2’-f).
2,6-bis((11bR)-dinafto[2,1-d:1’,2’-f][1,3,2]dioxafosfepin-4-iloxi)metil)piridina
Esquema I
iv
O
O
P
O
O
O
OO
O
O
Ad
Ad
Ad1
1'
2
2'
3
3'
4
4'
No Esquema II, apresenta-se como exemplo a numeração adoptada para o ligando de fósforo do
tipo monofosfito, sintetizado nesta dissertação, onde a cadeia que contém o grupo carbonilo do éster
surge como prefixo e a que contém o heteroátomo oxigénio como sufixo.
tris[(S)-2’-adamantanoato de 1,1’-dinafto-2-ilo] fosfito
Esquema II
1 a) G. P. Moss, Pure & Appl. Chem., 70 (1998) 143. b) L. S. Campos, M. Mourato, Nomenclatura dos compostos
Orgânicos, Escolar Editora, Lisboa, 1999. b) A. Tomé, Introdução à Nomenclatura dos Compostos Orgânicos,
Escolar Editora, Lisboa, 2010.
v
Abreviaturas
Ad – adamantilo
AM1 – Austin Model 1
BINAP - 2,2'-bis(difenilfosfino)-1,1'-binaftilo
BINOL – 2,2’-dihidroxi-1,1’-binaftilo
Bn – benzilo
CLOA – Combinação Linear de Orbitais Atómicas
cod – ciclo-octadieno
COSMO – COnductor-like Screening MOdel
d – dupleto
dd – duplo dupleto
DFT – Density Functional Theory
DIOP – (-)-2,2-dimetil-4,5-((difenilfosfino)dimetil)dioxolano
DIPAMP - Etano-1,2-di-il-bis[(2-metoxifenil)fenilfosfano]
DMAP – dimetilaminopiridina
DuPHOS – [ 1,2-bis-(2,5-dialquilfosfolano)benzeno]
ECP – Effective Core Potentials
ee – excesso enantiomérico
EM – Espectroscopia de massa
ESI – Ionização por electrospray
Et – Etilo
GC – Cromatografia gasosa
GGA – Generalized Gradient Aproximation
GTO – Gaussian Type Orbital
HF – Hartree-Fock
IUPAC – União Internacional de Química Pura Aplicada
IV – InfraVermelho
J – Constante de acoplamento
KS – Konh-Sham
KS-SCF – Konh-Sham Self Consistent Field
LANL – Los Alamos National Laboratory
LDA – Local Density Approximation
vi
L-DOPA - ácido (S)-2-amino-3-(3,4-dihidroxifenil) propanóico
LSDA – Local Spin Density Aproximation
m – multipleto
m/z – relação massa carga
M+ – ião molecular
Me – metilo
MNDO – Modified Intermediate Neglect of Differential Overlap
NDDO – Neglect of Diatomic Differential Overlap
PCM – Polarizable Continuum Model
Ph – fenilo
PM3 – Parametric Method 3
PM6 – Parametric Method 6
PPh3 – trifenilfosfina
ppm – partes por milhão
q – quarteto
Rh – ródio
RHF – Restrict Hartree-Fock
RMN 13
C – Ressonância Magnética Nuclear de carbono
RMN 1H – Ressonância Magnética Nuclear de protão
RMN 31
P – Ressonância Magnética Nuclear de fósforo
s – singleto
SEP – Superfície de Energia Potencial
STO – Slater Tipe Orbitals
t – tripleto
Tf – triflato
THF – tetrahidrofurano
TLC – Tin Layer Chromatography
TMS – tetrametilsilano
Tol.D – tolueno deuterado
UHF – Unrestrict Hartree-Fock
VDZ – Valence Double ζ
ZDO – Zero Differential Overlap
δ – desvio químico em ppm.
vii
Resumo
O trabalho descrito nesta dissertação orientou-se no sentido de recorrer à utilização de métodos
computacionais para determinar a estrutura de mais baixa energia de fosfitos, derivados do BINOL e de
alguns dos seus complexos metálicos, de forma a racionalizar/interpretar dados experimentais obtidos na
reacção de hidrogenação catalítica assimétrica de olefinas.
Os estudos efectuados têm um cariz pluridisciplinar, envolvendo a síntese de um monofosfito
quiral, do tipo P(OR)3 derivado do BINOL, cálculos de estrutura electrónica de ligandos e seus
complexos metálicos pelos métodos semi-empírico PM6 e DFT e ainda, a sua avaliação como
catalisadores de ródio em reacções de hidrogenação catalítica assimétrica.
Assim, numa primeira fase, procedeu-se à optimização da estrutura electrónica dos ligandos do
tipo monofosfito de simetria C3, com quiralidade helicoidal, o tris[(S)-2’-adamantanoato de 1,1’-binafto-
2-ilo] fosfito, e o tris[(S)-2’-benziloxi-1,1’-binafto-2-ilo] fosfito, a nível PM6 e DFT. Destes resultados
foi possível observar uma boa correlação entre os resultados obtidos pelos dois métodos, principalmente
para o ligando com menor liberdade conformacional, imposta pelo grupo substituinte na posição 2’ do
BINOL, o adamantanoato, bem como determinar alguns parâmetros relevantes para a análise dos
resultados catalíticos, nomeadamente, o ângulo cónico.
Foram ainda efectuados cálculos de estrutura electrónica, pelos mesmos métodos, para os
ligandos ditópicos do tipo bis-BINOL-fosfito, derivados da piridina, o 2,6-bis((11bR)-dinafto[2,1-
d:1’,2’-f][1,3,2]dioxafosfepin-4-iloxi)piridina, e o 2,6-bis((11bR)-dinafto[2,1-d:1’,2’-
f][1,3,2]dioxafosfepin-4-iloxi)metil)piridina, onde também se observou concordância entre os dois
métodos utilizados.
viii
Seguidamente, procedeu-se à síntese dos complexos de ródio destes ligandos e caracterização por
RMN de 31
P, o que permitiu propor estruturas para esses complexos, as quais foram corroboradas por
cálculos de estrutura electrónica, a nível PM6 e DFT.
Dos estudos experimentais de hidrogenação catalítica assimétrica do itaconato de dimetilo, com
os complexos de ródio dos ligandos tris[(S)-2’-adamantanoato de 1,1’-binafto-2-ilo] fosfito, tris[(S)-2’-
benziloxi-1,1’-binafto-2-ilo] fosfito, 2,6-bis((11bR)-dinafto[2,1-d:1’,2’-f][1,3,2]dioxafosfepin-4-
iloxi)piridina e 2,6-bis((11bR)-dinafto[2,1-d:1’,2’-f][1,3,2]dioxafosfepin-4-iloxi)metil)piridina, observa-
se uma forte dependência da estrutura dos ligandos na actividade e enantiosselectividade da reacção,
assim como da pressão global de hidrogénio.
O complexo de ródio do ligando do tipo bis-BINOL-fosfito, 2,6-bis((11bR)-dinafto[2,1-d:1’,2’-
f][1,3,2]dioxafosfepin-4-iloxi)metil)piridina, revelou ser o mais activo com 96 % de conversão após 24
horas, mas apenas com 23 % excesso enantiomérico. Por outro lado, o complexo de ródio do
monofosfito tris[(S)-2’-adamantanoato de 1,1’-binafto-2-ilo] fosfito originou sistemas moderadamente
activos, com 36 % de conversão às 24 horas e 87 % às 48 horas, mas com enantiosselectividade de 62%.
Este resultado foi interpretado pelas estruturas obtidas a partir dos cálculos de estrutura electrónica e
estudos de RMN de 31
P do complexo em solução, que apontam para a existência de uma estrutura
organizada do tipo M, com pouca liberdade conformacional, imposta pela presença de um grupo rígido e
volumoso, o adamantanoato, na posição 2’ do BINOL, tendo-se atribuído como um dos principais
factores para a elevada indução de quiralidade do sistema catalítico.
ix
Abstract
The work described in this dissertation was oriented towards the use of computational methods to
determine the lower energy structure of BINOL-based phosphites and some of their metal complexes, to
rationalize/interpret experimental data obtained in the asymmetric hydrogenation of olefins.
The studies have multidisciplinary nature, involving the synthesis of a BINOL-based helical
C3-symmetric monophosphite, P(OR)3, the modeling of ligands by semiempirical PM6 and DFT
calculations and also their assessment, as rhodium catalysts in catalytic asymmetric hydrogenation
reactions.
Initially, we proceeded to optimize the electronic structure of the helical C3-symmetric
monophosphite, tris [(S) -2’-carboxiadamantanoate-1, 1'-binaphtho-2-yl] phosphite, and tris [(S) -2 '-
benzyloxy-1, 1'-binaphtho-2-yl] phosphite, at DFT and PM6 levels. From these results we observed a
good correlation between the results obtained by the two methods, in particular, for the ligand with
lower conformational freedom, imposed by the substituent group in 2' position of BINOL, the
adamantanoate. We also calculated some relevant parameters for the analysis of the catalytic results, in
particular, the cone angle.
Electronic structure calculations were also performed, by the same methods, for ditopic ligands
like pyridine-bis-BINOL-phosphite and we proceeded to the synthesis of their rhodium complexes and
characterization by 31
P NMR, which allowed us to propose structures for these complexes, which were
corroborated by PM6 and DFT calculations.
Experimental studies of catalytic asymmetric hydrogenation of dimethyl itaconate with rhodium
complexes of ligands tris [(S) -2 '-carboxiadamantanoate-1, 1'-binaphtho-2-yl] phosphite, tris [(S) -2 '-
benzyloxy-1, 1'-binaphtho-2-yl] phosphite, 2,6-bis ((11bR)-dinaphtho [2,1-d: 1', 2'-f] [1,3,2]
dioxaphosphepin-4-yloxy) pyridine and 2,6-bis ((11bR)-dinaphtho [2,1-d: 1 ', 2'-f] [1,3,2]
x
dioxaphosphepin-4-yloxy) methyl) pyridine, show a strong dependence of the ligands structure on the
activity and enantiosselectivity of the reaction and also of the overall pressure of hydrogen.
The rhodium complex with the ligand bis-BINOL-phosphite type, 2,6-bis ((11bR)-dinaphtho
[2,1-d: 1 ', 2'-f] [1,3,2] dioxaphosphepin-4-yloxi) methyl) pyridine, proved to be the most active with
96% conversion after 24 hours, but achieving only 23% of enantiomeric excess. On the other hand, the
rhodium/monophosphite systems with ligand tris [(S) -2 '-carboxiadamantanoate-1, 1'-binaphtho-2-yl]
phosphite originated moderately activity, with 36% conversion after 24 hours and 87% at 48 hours, with
an increased enantiosselectivity of 62%. This result was interpreted by the structures obtained from the
electronic structure calculations and 31
P NMR studies of the complexes in solution, pointing to the
existence of an organized structure of type M, with restrained conformational freedom imposed by the
presence of a bulky group at BINOL 2' position, which has been assigned as a major contributor to the
high induction of chirality of the catalytic system.
1
Capítulo 1
Introdução
Os processos de síntese química que envolvem reacções de catálise, para além de serem mais
selectivos, podem reduzir o número de passos necessários numa determinada síntese. Deste modo,
contribuem, não só para uma diminuição da quantidade de solventes e de subprodutos, mas também
reduzir consideravelmente a energia global consumida. Por todos estes motivos é compreensível que,
actualmente, cerca de 90% dos produtos químicos, disponíveis comercialmente tenham, no seu processo
de síntese, pelo menos uma fase catalisada.1
Alguns metais de transição, quando coordenados com diferentes tipos de ligandos, especialmente
de fósforo, originam catalisadores homogéneos eficientes, com inúmeras aplicações, tanto na indústria
de química fina (fine chemistry) como em processos de síntese química de larga escala (“bulk
chemistry”).1 Com vista ao incremento da eficiência destes catalisadores, a síntese de novos ligandos de
fósforo tem vindo a revelar-se fulcral para melhorar a actividade e a selectividade de diversas reacções
catalíticas. De entre os inúmeros substratos estudados em reacções de hidrogenação catalítica
assimétrica,2 destacamos os ésteres derivados do ácido itacónico, dado que constituem uma das famílias
de substratos onde estas reacções conduziram a melhores excessos enantioméricos, ee, Esquema 1.1, e
os seus produtos, enantiomericamente enriquecidos, são de grande interesse para a preparação de
percursores de fármacos, fragrâncias e mesmo no desenvolvimento de agroquímicos.3
1 Introdução
2
O
OR2
O
R1O
O
OR2
O
R1O
H2
M/L* *
Esquema 1.1
A modelação adequada de um catalisador, através do estudo das suas propriedades electrónicas e
estereoquímicas, pode permitir um melhoramento significativo da sua actividade e selectividade para um
determinado processo catalítico. Neste sentido, os estudos de modelação molecular, associados a dados
experimentais como difracção de raios – X ou RMN, têm vindo a assumir-se como uma importante
ferramenta para estudos de optimização da estrutura de ligandos e respectivos complexos metálicos, de
forma a racionalizar e optimizar a actividade e selectividade de um determinado processo catalítico.4
Este tema é também o objectivo fulcral dos estudos realizados e que conduziram à escrita desta
dissertação, com especial relevo para a modelação de novos ligandos para a preparação de catalisadores
com aplicação em reacções catalíticas de hidrogenação e hidroformilação enantiosselectivas.
1.1 Estudos Computacionais
O objectivo da química quântica é descrever as propriedades dos átomos e moléculas bem como a
forma como interagem entre si e se transformam. O conhecimento pormenorizado das energias
moleculares ou de parâmetros geométricos resultam de cálculos da química quântica, e são a base para a
modelação de moléculas.5
1.1.1 Equação de Schrödinger
Em 1926, o físico austríaco Erwin Schrödinger desenvolveu a denominada equação de
Schrödinger, que tem em conta a dualidade onda-partícula da matéria e a partir da qual, se pode
determinar a função que descreve completamente o sistema em estudo (ψ), sendo esta a base para os
cálculos das energias dos átomos e moléculas.6
A equação de Schrödinger independente do tempo, para uma partícula de massa m, num sistema
tridimensional é dada pela expressão:
1 Introdução
3
(1)
Onde V (x) é a energia potencial e E a energia total da partícula.
Esta equação pode ser escrita sob a forma:
(2)
Onde H, é o operador Hamiltoniano do sistema.
Esta equação apenas tem resolução analítica para sistemas com um electrão, para todos os outros
é necessário recorrer a aproximações, sendo esta uma das grandes dificuldades da mecânica quântica
molecular.
1.1.2 Superfície de energia potencial (SEP)
No sentido de obter informações acerca de uma determinada molécula, além da sua fórmula
molecular, é necessário conhecer a posição dos átomos em relação a todos os outros. Para a mesma
fórmula molecular, existem várias configurações espaciais dos átomos obtidas pela rotação em torno das
ligações C-C, sendo um dos objectivos da química computacional determinar a mais estável, a que
apresenta energia mais baixa. Isto é possível, se em vez de se considerar apenas uma estrutura,
considerarmos todas as possíveis. Uma superfície de energia potencial (SEP) é uma hiper-superfície
caracterizada pela energia potencial dos vários átomos constituintes de uma determinada molécula,
considerando todos os arranjos atómicos possíveis.7 Os cálculos destas hiper-superfícies baseiam-se na
separação do movimento nuclear do movimento electrónico recorrendo à aproximação de
Born – Oppenheimer. Nesta aproximação admite-se que os núcleos, como são muito mais pesados que
os electrões, têm movimentos muito mais lentos e, por isso, podem ser considerados fixos em
coordenadas bem definidas, enquanto os electrões se movem uns em relação aos outros,7 obtendo-se
desta a forma a designada equação de Schrödinger electrónica.
(3)
Onde o hamiltonianiano electrónico dado pela soma dos termos de energia cinética electrónica, energia
potencial dada pela interacção electrão-electrão e núcleo-electrão.
1 Introdução
4
Figura 1.2 - Representação de um ponto
de sela na SEP.
Topografia
As SEP apresentam determinados pontos, tais como mínimos ou os pontos de sela, os quais
fornecem informações úteis para a compreensão de um sistema químico. Estes pontos da SEP
distinguem-se dos outros devido ao facto de serem estacionários, apresentam gradiente nulo
com k = 1, … n (4)
De forma a obter mais informações acerca destes pontos podemos recorrer à matriz Hessiana das
segundas derivadas, que é dada por:
(5)
Se todos os valores próprios da Hessiana são positivos, estamos perante um mínimo, como está
representado na Figura 1.1. Estes pontos correspondem a arranjos estáveis da super-molécula, sendo um
mínimo de energia potencial.
Os pontos de sela, Figura 1.2, representam estados de transição, são barreiras de energia mais
baixa entre dois mínimos. Nestes pontos um, e apenas um, valor próprio da Hessiana é negativo.8
Figura 1.1 - Representação de um
mínimo na SEP.
1 Introdução
5
1.1.3 Método de Hartree-Fock
O cálculo da estrutura electrónica, para sistemas com muitos electrões é muito complexo, dado
que só se podem obter soluções exactas para a equação de Schrödinger independente do tempo para
sistemas com apenas um electrão. Neste sentido têm sido desenvolvidos vários métodos com o objectivo
de se obter soluções aproximadas desta equação, para sistemas com vários electrões, entre eles, o
modelo de Hartree-Fock (HF),8 que se baseia no conceito de partículas independentes que se movem
num campo médio. Neste modelo considera-se que cada electrão é descrito por uma orbital e, a função
de onda total é dada pelo produto das orbitais de todos os electrões.
De forma a preencher o requisito de anti-simetria, a função de onda para um sistema de N
electrões é a combinação linear de todas as permutações possíveis dos pares de electrões. Estas podem
ser obtidas a partir da construção de um determinante de Slater,6 o qual apresenta a forma:
Sendo, neste caso, a energia mínima para o estado fundamental, obtida pela aplicação do princípio
variacional.
A energia electrónica pode ser escrita sob a forma da soma de operadores de um e pseudo um
electrão:
(6)
Onde o operador é o operador de um electrão, J e K são os operadores de Coulomb e de
permuta, respectivamente. O operador de permuta é precedido pelo factor ½, devido ao facto de estar
limitado a electrões com o mesmo spin, o que já não acontece no caso do operador de Coulomb, cujas
interacções ocorrem para qualquer combinação de spin.
Estes operadores podem ser definidos por:
(7)
E,
(8)
Onde , representa a interacção entre os electrões e o operador de Fock, f, que é dado por:
1 Introdução
6
(9)
No integral de Coulomb, o termo , representa a probabilidade de
encontrar o electrão 1 no elemento de volume , logo este integral representa a repulsão de Coulomb
sentida pelo electrão 2 devido à presença do electrão 1. K é o integral de permuta e relaciona as
orbitais – spin ψR e ψS quando estas apresentam spins paralelos, não tendo análogo clássico.5
A equação de Hartree-Fock é dada por uma pseudo-equação de valores próprios
(10)
Onde o operador de Fock, f, depende dos integrais de Coulomb e de permuta dos vectores
próprios.
RHF e UHF
Todas as considerações feitas até agora assentam no facto de que todas as orbitais estão
duplamente ocupadas, estando o átomo ou molécula num estado singuleto. Neste caso usa-se o método
de Hartree-Fock restrito (RHF), no qual se aplica o que foi descrito anteriormente, a parte espacial da
função de onda é igual para as duas orbitais-spin α e β.
Para certos sistemas, como radicais, estados excitados, ou outros, podemos ter electrões
desemparelhados nos átomos ou moléculas em questão. Quando isto ocorre é necessário usar o método
de Hartree-Fock não restrito (UHF), no qual a energia é calculada considerando todas as orbitais-spin
ocupadas com um único electrão, permitindo que estas apresentem partes espaciais ( ) diferentes.
(11)
Os coeficientes da CLOA (combinação linear das orbitais atómocas) são determinados
separadamente para as orbitais α e β e obtém-se uma matriz densidade para cada uma, sendo a densidade
electrónica dada pela soma dessas matrizes e a densidade de spin pela diferença.
Uma desvantagem deste método é que a função de onda obtida pode não ser uma função própria
do operador de spin Ŝ2 devido à contaminação desta por funções de onda obtidas pela troca de um ou
mais spins.
1 Introdução
7
1.1.4 Métodos semi-empíricos
Como foi descrito na secção anterior, e apesar da aplicação de algumas aproximações, os cálculos
inerentes à teoria de Hartree - Fock continuam a exigir metodologia computacional muito complicada.
Uma das dificuldades deste método é o cálculo dos integrais de Coulomb e de permuta. Mesmo com o
aumento do poder computacional e com o baixo custo dos computadores, o número de confórmeros e o
número de átomos na molécula em estudo, estabelecem um limite prático. No sentido de simplificar
esses cálculos desenvolveram-se vários métodos, de entre os quais os semi-empíricos. Estes têm esta
designação porque, às equações de Hartree-Fock podem ser aplicadas aproximações adicionais,
aproximações essas que são depois ser compensadas pela utilização de parâmetros obtidos
experimentalmente.9
Nestes métodos apenas são considerados explicitamente os electrões de valência dado que, a
contribuição dos electrões do cerne, para as propriedades da molécula não é muito significativa. Estes
electrões, conjuntamente com o núcleo, são descritos por uma função apropriada, que no caso dos
métodos semi-empíricos são funções base do tipo Slater (STO – Slater type orbitals). Estas funções são
centradas num átomo e apresentam a forma:
(12)
Onde é o expoente orbital zeta, que depende do número atómico, n é o numero quântico
principal para a orbital de valência e são as funções harmónicas esféricas que dependem dos
números quânticos de momento angular m e l. Quando se usa uma função de base, para cada uma das
orbitais atómicas de cada camada ocupada, diz-se que o conjunto de base é uma base mínima. Nestes
métodos usam-se funções do tipo STO numa base mínima constituída por funções do tipo s e p.
A chamada aproximação ZDO – zero differencial overlap – é a principal ferramenta dos métodos
semi-empíricos, e baseia-se no modelo de Pariser-Parr-Pople (PPP). Nesta aproximação, todos os
integrais com as mesmas coordenadas electrónicas, mas que estejam centrados em átomos diferentes são
desprezados. Por exemplo se tivermos uma orbital atómica centrada no átomo A, μA, e outra centrada no
átomo B, νB, então:
(13)
Esta aproximação leva a que a matriz de sobreposição S se transforme numa matriz unidade, os
integrais mono-electrónicos que envolvem três centros sejam nulos e todos os integrais di-electrónicos
1 Introdução
8
que envolvam três ou quatro centros sejam desprezados. Os vários métodos semi-empíricos são
caracterizados pela forma como os restantes integrais são calculados.
O método NDDO10
(neglect of diatomic differential overlap) assenta na aproximação ZDO
descrita anteriormente. Os métodos MNDO11
(modified intermediate neglect of differential overlap),
AM112
(Austin model 1), PM313
(Parametric method 3) e PM614
(Parametric method 6), são baseados
no NDDO e resultam de alterações que visam o seu aperfeiçoamento.
MNDO
De forma a tentar calcular os integrais di-electrónicos, Dewar11
e colaboradores introduziram a
aproximação de tratar as nuvens electrónicas contínuas como multi-pólos clássicos reproduzindo assim
preferencialmente propriedades moleculares relativamente às atómicas. Quando um átomo é descrito por
um conjunto de orbitais s e p, existem apenas cinco integrais possíveis: , ,
, , , onde os parâmetros do tipo G são os integrais de
Coulomb e H são os integrais de permuta, que podem ser estimados por dados espectroscópicos.
Neste método há também inclusão do termo de energia potencial de repulsão nuclear à energia do
campo auto-consistente, que é dada por:
(14)
Onde Z é o número atómico de valência, α é um parâmetro com um valor específico para cada
tipo de átomo e R é a distância internuclear.
AM1
Devido a erros encontrados no modelo MNDO, principalmente os que envolviam os
comprimentos de ligação e ausência de ligações de hidrogénio, levou Dewar12
e colaboradores
realizarem alterações no termo de energia de repulsão nuclear. Tendo o modelo AM1 sido descrito em
1985, para os elementos C, H, O e N e o termo de repulsão nuclear é dado por:
(15)
1 Introdução
9
Diferindo esta, da Equação 14, nos parâmetros a, b, c, que descrevem funções Gaussianas e
representam a interacção cerne-cerne, centradas a várias distâncias c, modificando desta forma o
potencial entre dois átomos.
PM3
Este método foi desenvolvido por Stewart,13
em 1989, e foi apenas uma re-parametrização do
método AM1, também desenvolvido por ele em conjunto com outros autores.
Foram também realizadas algumas alterações às aproximações efectuadas nos métodos descritos
anteriormente, por Thiel e Voityuk15
em 1996 no sentido de incluir orbitais d, de modo a poder expandir
os cálculos a mais elementos da tabela periódica.
A energia electrónica calculada pelos métodos referidos anteriormente é a energia relativa a uma
situação em que o núcleo e os electrões do cerne estão infinitamente separados dos electrões de valência.
A energia electrónica é convertida em calor de formação segundo a expressão:
(16)
Os erros médios associados aos calores de formação, para o método PM3 variam entre
30.0 kJ mol-1
e 75.0 kJ mol-1
, menores do que para AM1 e MNDO. Estes valores dependem de quais e
de quantos compostos são usados na comparação. Nos ângulos, os erros médios para o método PM3 são
de cerca de 3.9 º, também estes menores do que nos métodos anteriores.
PM6
Este método foi desenvolvido por James J. P. Stewart,14
em 2007, com o qual foram introduzidas
algumas alterações no termo de repulsão nuclear, que é dado por:
(17)
A partir deste método obtiveram-se parâmetros para mais de 70 elementos bem como erros
médios nos calores de formação menores dos que apresentados nos métodos anteriores. Por exemplo em
compostos orgânicos simples (com os elementos C, N, O, H) o erro médio nos calores de formação no
AM1 é cerca de 50.2 kJ mol-1
enquanto no PM6 é cerca de 20.5 kJ mol-1
.
1 Introdução
10
Devido à complexidade dos metais de transição e ao facto de serem muito lábeis em fase gasosa o
seu isolamento é difícil, o que dificulta a parametrização destes elementos. O elemento ródio foi
parametrizado pela primeira vez no método PM6 obtendo-se erros médios, calculado para 32 compostos,
no cálculo do calor de formação de 87.4 kJ mol-1
, 0.162 Å no comprimento de ligação, calculado para 68
compostos e 10.66º nos ângulos de ligação calculado para 22 compostos.14
Apesar dos erros inerentes a estes métodos, o seu baixo custo computacional é muito vantajoso, o
que permite fazer estudos conformacionais prévios de forma a diminuir o tempo necessário em cálculos
de nível superior, como por exemplo, em DFT (Density Functional Theory).
1.1.5 Teoria da funcional da densidade (DFT)
De forma a determinar a energia de um dado sistema molecular, nos cálculos DFT, em vez da
determinação das funções de onda correspondentes às orbitais moleculares, usam-se funcionais da
densidade electrónica onde são incluídos os efeitos de correlação electrónica ou seja, existe uma
correlação directa entre a densidade electrónica de um sistema e a energia.9
Em meados dos anos 20, Thomas, Dirac e Fermi,16
desenvolveram um modelo, a partir do qual
era possível resolver a equação de Schrödinger usando a funcional da densidade, em alternativa à sua
resolução a partir da função de onda, tendo sido estes os primeiros passos no desenvolvimento do
método DFT, no entanto, este não estabelecia uma relação directa entre a densidade electrónica e o
operador hamiltoniano. Em 1964, Hohenberg e Konh17
formularam dois teoremas, que são a base deste
método e da sua aplicação a sistemas moleculares de interesse químico, o teorema da existência e o
teorema variacional.
Teorema da existência e teorema variacional DFT
Segundo o teorema da existência, a energia do sistema, no estado fundamental, é uma funcional
da densidade electrónica, permitindo a determinação do potencial externo e, portanto, do operador
Hamiltoniano, para um sistema de coordenadas nucleares fixas, dado que a integração da densidade
electrónica determina o número total de electrões do sistema. A demonstração deste teorema é baseada
no facto que dois hamiltonianos diferentes não podem corresponder à mesma função de densidade
electrónica, estabelecendo, desta forma, que a energia é uma funcional da densidade electrónica.7 No
1 Introdução
11
entanto, este teorema não nos dá informação de como é que a funcional da energia depende da densidade
electrónica.
No sentido de resolver esta questão, o teorem variacional da DFT, analogamente ao método de
HF, estabelece que a funcional da densidade electrónica obedece a um princípio variacional. Na
presença de várias funções de densidade electrónica, é possível determinar o Hamiltoniano que lhes
corresponde (pelo teorema da existência) bem como a respectiva energia, a qual, pelo princípio
variacional vai ser maior ou igual à energia do estado fundamental.7
Este processo exige o cálculo da energia pela equação de Schrödinger, não apresentando
vantagens relativamente ao método de HF. No sentido de resolver esta questão, em 1965, Kohn e
Sham18
desenvolveram o designado método do campo autocoerente de Kohn-Sham (KS – SCF, Kohn-
Sham self consistent field).
Método de Kohn-Sham
A maior dificuldade na resolução da equação de Schrödinger prende-se com o termo de repulsão
interelectrónica. De forma a simplificar esta questão, Kohn e Sham, assumiram como ponto de partida
um Hamiltoniano que descrevesse um sistema hipotético, sem interacção electrónica. Se existir um
sistema real com interacção electrónica com a mesma função de densidade electrónica que o sistema
sem interacção, então esse sistema também terá o mesmo potencial externo e o mesmo operador
Hamiltoniano.7
A funcional da energia pode ser dado por:
(18)
Onde é a energia cinética do sistema hipotético sem interacção electrónica, é o potencial
externo, é o potencial de repulsão interelectrónica clássico e é o termo de troca-correlação, para
o qual este teorema não permite resolução analítica, sendo aproximado. Este pode ainda ser dividido
num termo que inclui todas as correcções necessárias à repulsão interelectrónica clássica (ΔT) e noutro
(ΔVee) que compreende as correcções impostas à energia cinética devida à correlação electrónica.
Pelo teorema variacional da DFT, podemos determinar as orbitais moleculares фi que minimizam
a energia εi, obtendo-se a equação de valores próprios
ф ф (19)
1 Introdução
12
O operador monoelectrónico KS é dado por:
(20)
Onde VXC é o potencial de troca-correlação.
Como já foi dito anteriormente, para resolver analiticamente o termo de troca-correlação é
necessário recorrer a aproximações, tendo sido desenvolvidas várias, no sentido de uma melhor
adaptação aos sistemas em estudo.
Aproximações LDA e LSDA
Na aproximação da densidade local (LDA – Local Density Approximation) assume-se que a
densidade pode ser tratada como um gás electrónico uniforme, ou analogamente, considera-se que a
densidade é uma função que varia muito lentamente, sendo o funcional de troca-correlação da LDA
dado por: 9
(21)
Onde é a energia de troca-correlação de um gás electrónico uniforme com densidade
ρ(r). A energia de troca-correlação pode ser dividida em energia de troca e energia de correlação.
A aproximação LDA apenas pode ser considerada para sistemas em que todos os electrões estão
emparelhados, quando isto não acontece, em sistemas em que há polarização de spin, recorre-se à
aproximação da densidade local de spin (LSDA – Local Spin Density Aproximation) que é dada pela
soma das contribuições das densidades de spin α e β.9
Estas aproximações apresentam uma grande limitação, devido ao facto de se considerar a
densidade como um gás electrónico uniforme, dado que nem todos os sistemas moleculares apresentam
esta característica. Neste sentido, foram desenvolvidos funcionais tenham isto em conta. 7
Aproximação GGA
A aproximação generalizada do gradiente (GGA – Generalized Gradient Aproximation), depende,
além da densidade electrónica, do seu gradiente, permitindo assim ultrapassar a limitação das
aproximações anteriores, sendo a aproximação GGA dada por: 9
1 Introdução
13
(22)
Onde f é uma função das densidades de spin e dos respectivos gradientes. Tal como nas
aproximações descritas anteriormente, também neste caso a energia de troca-correlação pode ser
dividida nas suas duas componentes, troca e correlação.7
Funcional híbrido B3LYP
Um funcional híbrido permite a combinação de diferentes tipos de funcionais de troca-correlação,
sendo, o B3LYP,19
um dos mais utilizados. Neste funcional híbrido há combinação entre da funcional de
troca desenvolvido por Becke (B88) e da funcional de correlação desenvolvido por Lee, Yang, e Parr
(LYP).20
A funcional de troca-correlação B3LYP é dado por:
(23)
Onde os parâmetros a, b e c são parâmetros empíricos determinados a partir de dados
experimentais como energias de atomização, ionização, afinidades electrónicas e protónicas, e , é a
funcional de troca de HF.
Relativamente aos métodos semi-empíricos os erros relativos do método DFT, são normalmente
menores e, bastante menores no que respeita a moléculas com metais de transição na sua constituição.7
Bases de Funções
Como foi dito na secção anterior, nos métodos semi-empíricos usam-se bases do tipo Slater,
porque apenas se consideram os electrões de valência. Neste caso, a função de base usada é do tipo
Gaussiana, GTO (Gaussian Type Orbital), e apresenta a forma, em coordenadas cartesianas centrada no
átomo:
ф
(24)
Onde α é o expoente que determina a largura da GTO e i, j e k são inteiros não negativos que
indicam a natureza da orbital (s, p ou d).21
A base de funções utilizada nos cálculos efectuados nesta dissertação foi a VDZ (Valence Double
ζ).22
Neste tipo de funções, cada função de base de valência é duplicada. Por exemplo, no caso do
1 Introdução
14
oxigénio esta base usa quatro funções do tipo s (1s,1s’,2s e 2s’) e dois do tipo p (2p e 2p’), o que permite
descrever a diferença na distribuição electrónica. No entanto, neste tipo de funções, VDZ, apenas são
duplicados o número de orbitais de valência.
Para elementos metálicos, com muitos electrões, o número de funções na bases necessárias para
os descrever é muito elevado. Os ECP’s (Effective Core Potencials), são funções analíticas que
descrevem os electrões do cerne como atómicos, o que permite, desta forma, reduzir o número de
funções na bases a utilizar. Nesta dissertação usou-se o conjunto de base LANL (Los Alamos National
Laboratory) desenvolvido por Hay e Wadt 23
em conjunto com a base de funções VDZ.
1.1.6 Modelo de contínuo polarizável
De forma a simular computacionalmente o efeito do solvente na geometria das moléculas,
utilizam-se os modelos de meio contínuo polarizável (PCM – Polarizable Continuum Model).24
O modelo COSMO (COnductor-like Screening MOdel)25
é um dos mais utilizados. Neste modelo
considera-se o solvente como um meio dieléctrico contínuo com permitividade, ε, onde é gerada uma
cavidade, através de esferas centradas nos átomos cujo raio é ligeiramente superior ao raio de Van der
Waals, determinando assim a interacção electroestática do meio com a molécula em estudo.
1.2 Hidrogenação catalítica
A hidrogenação é um tipo de reacção que pode ser catalisada por diversos complexos de metais de
transição solúveis (ródio, ruténio, irídio, molibdénio), coordenados com ligandos apropriados. Estes
complexos metálicos devem promover a activação da molécula de hidrogénio de forma a dissociar-se
nos seus dois átomos, que serão, posteriormente, adicionados a um substrato insaturado. Na ausência de
um catalisador, esta reacção é dificultada pelo facto de o hidrogénio molecular ser muito pouco reactivo,
devido à forte ligação covalente, cuja energia de dissociação é cerca de 450 kJ mol-1
.26
Na avaliação do desempenho dos catalisadores, para além da actividade, há também que ter em
conta vários tipos de selectividade, tais como a estereosselectividade.
Em 1965, Wilkinson, reportou a utilização do primeiro catalisador homogéneo em reacções de
hidrogenação, sob condições brandas de pressão e temperatura, o [Rh(Cl(PPh3)3], 1.1. Trata-se de um
1 Introdução
15
P
O
O
O
RhCl
Ph3P PPh3
PPh3
complexo de ródio constituído por três ligandos de trifenilfosfina e um átomo de cloro com estrutura
planar quadrada.
1.1
Este complexo revelou ser activo e selectivo para a hidrogenação de ligações duplas com pouco
impedimento estereoquímico, mesmo na presença de outros grupos funcionais, como ésteres, éteres,
aldeídos e cetonas, tendo sido intensamente estudado nos anos seguintes por diversos autores.27
Posteriormente desenvolveram-se também ligandos do tipo fosfito, dos quais destacamos o
sintetizado por van Leewen et al, 27
o tris(o-terbutil-fenil)fosfito, 1.2, por revelar elevada actividade, não
só em hidrogenações, mas também em reacções de hidroformilação de olefinas substituidas.
1.2
Na década de setenta Tolman,28, 29
racionalizou a selectividade dos catalisadores com base em
dois parâmetros centrados na estrutura dos ligandos P-dadores monodentados. Esses parâmetros eram de
natureza estereoquímica (ângulo cónico) e electrónica (). O autor designou por ângulo cónico, o ângulo
interno do cone formado pelo metal, situado a uma distância de 2.28 Å do átomo de fósforo e pelas duas
linhas que passam pelo exterior de todos os átomos substituintes do ligando, Esquema 1.2.
1 Introdução
16
M
P
Esquema 1.2
Por exemplo, a utilização de ligandos muito volumosos, do tipo 1.2, na hidroformilação de
olefinas susbtituídas, melhorou significativamente a actividade e selectividade dos sistemas catalíticos
porque apenas pode ocorrer a coordenação de um ligando ao metal, devido ao impedimento
estereoquímico, favorecendo assim, a formação de apenas uma espécie catalítica activa.
O parâmetro electrónico () é medido através da frequência de vibração do grupo do carbonilo
ligado ao metal, segundo a qual se pode determinar se um ligando é mais dador ou aceitador de electrões
relativamente a outro.
Um parâmetro importante, na optimização do design estrutural de ligandos, é o bite angle ou
ângulo de complexação. Este conceito foi introduzido por Casey and Whiteker,30
em 1990, de forma a
estudar os efeitos dos ligandos quelatos bidentados, e é definido como o ângulo formado por P-M-P,
obtido por cálculos de mecânica molecular. A diferença nos ângulos formados pelo quelato, no
complexo metálico, pode ter uma grande influência tanto na actividade como na enantiosselectividade
das reacções catalíticas.
A optimização por cálculos computacionais dos parâmetros estereoquímicos referidos será
objecto do estudo apresentado nesta dissertação, cujos resultados são apresentados no Capítulo 2.
1.2.1 Hidrogenação catalítica assimétrica
Um contributo extremamente importante para a química orgânica foi dado, independentemente,
por van’t Hoff e Le Bel,31
ao designarem por arranjo tetraédrico um carbono com quatro átomos ligados.
A partir daqui percebeu-se a importância da estrutura tridimensional das moléculas para a descrição
completa das suas propriedades. Em 1848, Pasteur32
referiu pela primeira vez o termo dissimetria,
quando obteve o (D)-estereoisómero do tartarato de amónio, por via enzimática, enquanto que, por
síntese convencional, se obtinha uma mistura racémica do mesmo composto.
1 Introdução
17
MeO
COOH
CH3
H
MeO
COOH
HH3C
A obtenção de compostos quirais é um dos principais objectivos de diversos tipos de indústria,
como a farmacêutica, de fragâncias ou agroquímica, dado que as actividades biológicas dos dois
enantiómeros, podem ser consideravelmente diferente.
Há alguns anos atrás, apenas cerca de metade dos fármacos mais vendidos eram comercializados
sob a forma enantioméricamente pura, enquanto a outra metade eram misturas racémicas. Em alguns
casos esta situação poderá ser prejudicial para o ser humano.
(S) – Naproxeno, 1.3 (R) – Naproxeno, 1.4
Por exemplo, no caso do Naproxeno, o isómero S, 1.3, é um anti-inflamatório não-esteróide
eficiente, enquanto o isómero R, 1.4, é tóxico.
De entre os vários processos de catálise assimétrica destaca-se a hidrogenação catalítica por ser
uma poderosa ferramenta para a obtenção de compostos enantiomericamente puros.26
Este tipo de
produtos pode ser obtido a partir da resolução de misturas racémicas, síntese assimétrica ou catálise
enzimática.33
A vantagem da catálise assimétrica relativamente à síntese é que permite a obtenção de um
determinado produto utilizando apenas pequenas quantidades de um catalisador quiral e relativamente à
catálise enzimática é a acessibilidade aos dois enantiómeros, já que, por este método, apenas se pode
obter um deles.
As duas faces do plano de uma molécula pró-quiral dizem-se enantiotópicas, quando este é um
plano de simetria, mas não contém nenhum eixo coplanar. Quando o catalisador não é quiral, este reage
indistintamente pelas duas faces originando uma mistura racémica, Figura 1.3 a. Quando é quiral este é
capaz de distinguir as faces enantiotópicas, reagindo preferencialmente com uma delas, originando um
excesso de um dos enantiómeros ou, idealmente, apenas um deles.
1 Introdução
18
a b
Figura 1.3 - Representação das faces enantiotópicas de uma olefina pró-quiral.26
Na Figura 1.3 b está representada a interacção de um catalisador quiral, com a olefina pró-quiral
1,1-t-butilfluoroetileno e, como se pode observar, a aproximação do catalisador pela face superior está
favorecida, dado que permite que a esfera (azul) que representa um ligando mais volumoso se aproxime
do átomo de flúor, que é o mais pequeno, bem como a aproximação do grupo t-butilo à esfera mais
pequena. Logo, o produto maioritário da reacção, será o que resulta da aproximação do catalisador pela
face superior da olefina.26
Poucos anos depois da descoberta do catalisador de Wilkinson, em 1968, Horner34
e Knowles35
efectuaram, independentemente, reacções de hidrogenação catalítica homogénea utilizando
monofosfinas quirais. Apesar dos excessos enantioméricos obtidos inicialmente serem baixos, foi um
passo muito importante no sentido em que se observou a possibilidade de efectuar hidrogenações
catalíticas assimétricas.36
As primeiras contribuições para o desenvolvimento de catalisadores para este tipo de reacções,
foram dadas por Kagan e Dang37
, que utilizaram o ligando bidentado DIOP [(-)-2,2-dimetil-4,5-
((difenilfosfino)dimetil)dioxolano], 1.5, uma difosfina quiral, em hidrogenações de vários
percursores de aminoácidos.
William S. Knowles (Prémio Nobel da Química em 2001) e o grupo Monsanto, 38
no início dos
anos 70 marcaram o início da síntese assimétrica industrial, usando catalisadores de ródio modificados
com uma difosfina, com a quiralidade centrada no átomo de fósforo, DIPAMP [Etano-1,2-di-il-bis[(2-
metoxifenil)fenilfosfano], 1.6, na síntese de aminoácidos. O produto mais importante foi a síntese de
L-DOPA, (ee 96%),39
um aminoácido não natural usado no tratamento da doença de Parkinson,40
tendo
ficado conhecido como o primeiro processo de catálise enantiosselectiva na indústria. A etapa crucial
M
C CFt-Bu
HH
MM
M
C CFt-
Bu
HH
1 Introdução
19
O
O
CH2PPh2
CH2PPh2
P P
MeO
OMe
PAr2
PAr2
O
O
P ORO
O
P R
O
O
P N(CH3)2
deste processo é a formação do carbono quiral do aminoácido, a partir da hidrogenação enantiosselectiva
do ácido amidoacrílico. Esta reacção revelou ser bastante sensível ao tipo de substrato, concluindo-se ser
necessário que a olefina possua, pelo menos, dois substituintes polares de forma a poder coordenar com
o catalisador por dois pontos, originando produtos com elevados excessos enantioméricos (ee).
(R,R) – DIOP, 1.5 DIPAMP, 1.6 (S)– BINAP, 1.7
Salienta-se também o trabalho de Ryoji Noyori (Prémio Nobel da Química em
2001),41
que descreveu a síntese de um dos ligandos bidentados mais conhecido em hidrogenação
assimétrica, a BINAP [2,2'-bis(difenilfosfino)-1,1'-binaftilo], 1.7. Esta molécula foi usada como ligando
na formação de complexos de ródio e de ruténio, que revelaram elevada actividade e
enantiosselectividade em reacções de hidrogenação catalítica de duplas ligações carbono-carbono e
carbono-oxigénio.
Com estas descobertas centenas de difosfinas quirais foram sintetizadas devido não só, aos bons
resultados obtidos com ligandos deste tipo mas também, ao facto de a quelatação ser considerada
essencial para induzir rigidez ao catalisador, reduzindo assim o número de conformações possíveis e,
consequentemente, aumentar a enantiosselectividade.42
Os trabalhos desenvolvidos na década de 80,
centraram-se na síntese de novos ligandos deste tipo, como a DuPHOS [1,2-bis-(2,5-
dialquilfosfolano)benzeno]43
entre muitas outras, bem como no estudo da sua eficiência em reacções de
hidrogenação de ácidos α-acilamino acrilatos, enamidas, acetatos enólicos, β-ceto ésteres, ácidos
carboxílicos insaturados e derivados do ácido itacónico.27
Fosfito, 1.8 Fosfinito, 1.9 Fosforamidite, 1.10
1 Introdução
20
Surpreendentemente, no ano 2000, três grupos independentes, evidenciaram que compostos de
fósforo monodentados derivados do bis-naftol, do tipo fosfito, 1.8,44
fosfinito, 1.9, 45
e fosforamidite,
1.10 46
formam complexos de ródio (I), estáveis e capazes de promover a hidrogenação assimétrica de
olefinas derivadas de di-hidroaminoácidos e do ácido itacónico, tendo conduzido a sistemas catalíticos
activos e com elevados excessos enantioméricos. Os resultados sumariados destes estudos apresentam-se
na Tabela 1.1.
Tabela 1.1: Resultados da literatura para reacções de hidrogenação catalítica assimétrica com ligandos do tipo
fosfito, fosfinito e fosforamidite.
Entrada Substrato Tipo ligando Excesso enantiomérico (%)
1 Itaconato de dimetilo Fosfito, 1.844
99.6
2 Metil-2-acetamido acrilato Fosfito, 1.844
95.5
3 Itaconato de dimetilo Difosfinito, 1.945
90
4 Metil-2-acetamido acrilato Difosfinito, 1.945
94
5 Itaconato de dimetilo Fosforamidite, 1.1046
96.6
Estas observações permitiram abrir horizontes para o desenvolvimento de outros tipos de
ligandos, uma vez que se quebrou o mito de serem necessários ligandos bidentados para a obtenção de
processos catalíticos altamente enantiosselectivos.
O interesse dos cientistas pelo desenvolvimento e design de novos ligandos monodentados,
derivados do BINOL, não só a nível académico como também industrial, foi renovado, devido à
facilidade de síntese e ao facto de este percursor estar disponível comercialmente em ambas as formas
enantioméricas e a preços relativamente acessíveis.2
Mais recentemente, foram descritos métodos de síntese de ligandos de fósforo, onde, para além
da quiralidade axial, contém também quiralidade helicoidal, resultante da estrutura tridimensional, à
semelhança do que acontece nas proteínas dos sistemas vivos. Foram publicados estudos, nos últimos
anos, que descrevem a síntese e aplicação de ligandos em forma de hélice, nomeadamente aqueles que
possuem um eixo de simetria C3.47
No entanto, na maioria dos casos existe interconversão rápida entre os
enantiómeros, P e M, Esquema 1.3, e, consequentemente, a enantiosselectividade nas reacções de
catálise assimétrica era baixa.48
1 Introdução
21
P
O
O O
R
R
RP
O
OO
R
R
R
O
O
P
O
O
O
OO
O
O
R
R
R
O
OR
P
O
O
O
R
OR
M P
Esquema 1.3
Recentemente, Reetz et al.49
e Pereira et al.50
sintetizaram monofosfitos de estrutura helicoidal
que possuem um eixo de simetria C3, considerados conformacionalmente estáveis, 1.11 e 1.12,
respectivamente.
1.11 1.12
Os monofosfitos do tipo 1.11 foram sintetizados e caracterizados através de estudos de RMN,
cristalografia de raios-X e dicroísmo circular observando-se que apenas com moléculas contendo
substituintes, R, volumosos e com menor liberdade conformacional, não ocorre interconversão rápida
entre os dois enantiómeros, o que permitiu obter excessos enantioméricos de cerca de 98% na reacção de
hidrogenação de álcoois monoalílicos catalisada por complexos de ródio. No caso dos grupos R
apresentarem maior liberdade conformacional, os mesmos estudos, indicam que pode ocorrer
intercorversão rápida entre os dois enantiómeros, originando, consequentemente, baixos excessos
enantioméricos.
Salienta-se ainda, os ligandos monofosfito do tipo 1.12, cuja principal diferença dos anteriores
reside na presença do grupo funcional éter, em vez do acetilo descrito por Reetz, o que lhes permite
formar complexos metálicos com uma coordenação hemilábel com os átomos de oxigénio dos grupos
1 Introdução
22
éter, ou seja aquando da formação do complexo, a coordenação ao metal pode ocorrer, não só pelo
átomo de fósforo, mas também pelo oxigénio do grupo éter. Complexos metálicos de ródio modificados
com este tipo de ligandos, revelaram elevada actividade e quimiosselectividade para aldeídos nas
reacções de hidroformilação de olefinas dissubstituidas, nomeadamente trans-1-fenil-1-propeno ou Δ4-
esteróides.50,51
Atendendo ao elevado interesse do grupo na caracterização e optimização estrutural de ligandos
do tipo monofosfito helicoidais de simetria C3 e ligandos ditópicos do tipo bis-BINOL-fosfito, para
aplicação em diversas reacções de catálise assimétrica, no trabalho conducente à escrita desta
dissertação efectuaram-se estudos de síntese e caracterização estrutural de ligandos e respectivos
complexos metálicos, recorrendo a cálculos computacionais e estudos de RMN in situ, cujos resultados
são apresentados no Capítulo 2.
Paralelamente, foram efectuados estudos de aplicação de complexos de ródio (I) modificados com
estes ligandos em reacções de hidrogenação catalítica assimétrica do itaconato de dimetilo.
1 Introdução
23
Referências
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5 L. Alcácer, Introdução à Química Quântica Computacional, IST Press, Instituto Superior Técnico (2007).
6 P. Atkins, J. Paula, Atkins Físico-Química, Vol.2, 7ª ed. LTC (2004).
7 C.J. Cramer, Essentials of Computational Chemistry, Theories and Models, 2ª ed. Wiley, USA (2004).
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9 F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, 2ª ed. Wiley, Denmark (2007).
10 J.A. Pople, D.L. Beveridge, P.A. Dobosh, J. Chem. Phys., 47 (1967) 2026.
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12 M.J.S. Dewar, E.G. Zoebisch, E.F. Healy, J.J.P. Stewart, J. Am. Chem. Soc., 107 (1985) 3902.
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14 J.J.P. Stewart, J. Mol. Model., 13 (2007) 1173.
15 W. Thiel, A.A. Voityuk, J. Phys. Chem. 100 (1996) 616.
16 a) L.H. Thomas, Proc. Cambridge Phil. Soc., 23 (1927) 542. b) P.A.M. Dirac, Proc. Cambridge Phil. Soc., 26
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17 P. Hohenberg, W. Kohn, Phys. Rev., 136 (1964) B864.
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19 A.D. Becke, J. Chem. Phys., 98 (1993) 5648.
20 C.Y. Lee, Phys. Rev. B., 37 (1998) 785.
21 P.E. Abreu, Estudos Sobre Superfícies de Energia Potencial e Dinâmica Directa de Reacções Químicas
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(2004).
22 A. Schaefer, H. Horn, R. Ahlrichs, J. Chem. Phys., 97 (1992) 2571.
1 Introdução
24
23
a) P.J. Hay, W.R. Wadt, J. Chem. Phys., 82 (1985) 284. b) P.J. Hay, W.R. Wadt, J. Chem. Phys., 82 (1985) 299.
24 J. Tomasi, R. Cammi, B. Mennucci, C. Cappeli, S. Corni, Phys. Chem. Chem. Phys., 4 (2002) 5697.
25 A. Klamt, G. Schüürman, J. Am. Chem. Soc., Perkin Trans., 2 (1993) 799.
26 J.C. Bayón, J. Dupont, P.T. Gomes, S.A. Moya, L.A. Oro, M. Rosales, R.S. Delgado, E.N. Santos, E. Sola, H.
Torrens, Fundamentos y Aplicaciones de la Catálisis Homogénea, 2ª Ed. Universidade de Zaragoza (2000).
27 J. A. Moulijn, P. W. N. M. van Leuween, R. A. van Saten, Studies in Surface Science and catalysis (Catalysis,
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(1993).
28 C.A. Tolman, Chem. Rev., 77 (1977) 313.
29 C.A. Tolman, J. Am. Chem. Soc., 92 (1970) 2953.
30 C. P. Casey, G. T. Whiteker, Isr. J. Chem., 30 (1990) 229.
31 R.B. Grossman, J. Chem. Edc., 66 (1989) 30.
32 L. Pasteur, CR Acad. Sci. Paris., 26 (1848) 535.
33 H.-U. Blaser, A. Indolese, A. Schnyder, Current Science., 78 (2000) 1336.
34 L. Horner, H. Buthe, H. Siegel, Tetrahedron Lett., 9 (1968) 4023.
35 W.S. Knowles, M.J. Sabacky, Chem. Soc. Chem. Commun., (1968) 1445.
36 E.N. Jacobsen, A. Pfaltz, H. Yamamoto, Comprehensive Asymmetric Catalysis, Springer-Verlag Berlin,
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37 T.P. Dang, H.B. Kagan, J. Am. Soc., 94 (1972) 6429.
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40 W.S. Knowles, Acc. Chem. Res., 16 (1983) 106.
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42 Y. Fu, X. Guo, S.F. Zhu, A.G. Hu, J.H. Xie, Q.L. Zhou, J. Org. Chem., 69 (2004) 4648.
43 M.J. Burk, J.E. Feaster, W.A. Nugent, R.L. Harlow, J. Am. Chem. Soc., 115 (1993) 10125.
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47 L.H. Gade, S. Bellemin-Laponnaz, Chem. Eur. J., 14 (2008) 4142.
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49 M.T. Reetz, H. Guo, J. Ma, R. Goddard, R.J. Mynott, J. Am. Chem. Soc., 131 (2009) 4136.
50 R.M.B. Carrilho, A.R. Abreu, G. Petöcz, J. Carles Bayón, M.J.S.M. Moreno, L. Kollár, M.M. Pereira, Chemistry
Letters., 38 (2009) 844.
51 R. Carrilho, Tese Doutoramento, Universidade de Coimbra, Coimbra, em execução.
25
Capítulo 2
Síntese e cálculos de estrutura electrónica de
fosfitos e seus complexos metálicos
Os complexos de metais de transição modificados com diferentes tipos de ligandos apresentam
diversas aplicações na indústria química, nomeadamente em catálise homogénea e química fina. No
sentido de melhorar e controlar a sua eficiência, têm sido desenvolvidos vários estudos de complexos
modificados com ligandos de fósforo com os quais se tem observado a importância da estrutura dos
ligandos, bem como a influência desta na selectividade das reacções catalíticas.1 Nos últimos anos, os
cálculos de estrutura molecular, têm sido uma importante ferramenta, no sentido de prever quais os
confórmeros dos ligandos mais estáveis, complementando esta informação com dados obtidos por
técnicas experimentais, como RMN ou raios-X.2,3,4
Os ligandos de fósforo quirais derivados do BINOL têm merecido um interesse particular,
essencialmente devido ao facto deste percursor ser de fácil acesso, tanto por processos de síntese como
pelo facto de existir comercialmente, em ambas as formas enantiómericas, R ou S, a preços
relativamente acessíveis.5
No grupo de Catálise & Química Fina, existem em curso diversos projectos de síntese e
modelação computacional de ligandos de fósforo do tipo mono- e difosfito, e sua aplicação em reacções
de catálise assimétrica, sendo por isso, de elevado interesse a caracterização estrutural e computacional
desses ligandos e respectivos complexos metálicos, sendo também este o objectivo central desta
dissertação.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
26
OH
OH
Et3N
DMAP
C
O
Ad ClO
OH
C
Ad
O
PCl3
O
O
P
O
O
O
OO
O
O
Ad
Ad
Ad
Et3N
2.1, 82 %
+ O
C
Ad
O
2.2
2.3, 38%
OC
Ad
O
2.1 Síntese de monofosfito helicoidal de simetria C3
Procedeu-se à síntese do monofosfito do tipo P(OR)3, derivado do
(S)-BINOL, descrito por Reetz,6 a qual se compreende, essencialmente, em duas etapas. Numa primeira
fase, fez-se reagir o (S)-2,2’-dihidroxi-1,1’-binaftilo ((S)-BINOL), com cloreto de adamantanoílo, em
THF, a 0ºC, na presença das bases, trietilamina (Et3N) e dimetilaminopiridina (DMAP), Esquema 2.1. O
controlo da reacção foi efectuado por cromatografia em camada fina (TLC).
Esquema 2.1
Além do derivado monoprotegido, 2.1, obtiveram-se também, como produtos secundários, o
álcool diprotegido, 2.2 e, consequentemente, algum (S)-BINOL de partida que ficou por reagir,
procedendo-se à purificação do produto de reacção por cromatografia em coluna, usando-se como
eluente, uma mistura de diclorometano/éter de petróleo (3:1). O produto (S)-2’-adamantanoato de 1,1’-
binafto-2-hidroxilo, 2.1, foi obtido sob a forma de um sólido branco, após evaporação dos solventes a
pressão reduzida, com um rendimento de 82 %. O composto foi caracterizado por espectroscopia de
RMN de 13
C e 1H e massa ESI, cuja caracterização detalhada é apresentada na secção experimental do
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
27
O
O
P
OO
O
O
Ad
Ad
H
O
O
O
P
OO
O
O
Ad
Ad
Cl O
O
P
OO
O
O
Ad
Ad
OH
Capítulo 5. A título de exemplo, na Figura 2.1 é apresentado o espectro de massa de ionização por
electrospray (ESI) de alta resolução obtido para o precursor 2.1, que está em completa concordância
com a distribuição isotópica calculada teoricamente.
Figura 2.1: Espectro de alta resolução de massa ESI do precursor 2.1.
Numa segunda fase, procedeu-se à reacção do precursor 2.1 com tricloreto de fósforo (PCl3), a
0ºC e em atmosfera de azoto, na presença de trietilamina, usando como solvente THF. O álcool
monoprotegido, foi seco azeotropicamente e todos os solventes e reagentes líquidos foram devidamente
secos e destilados de acordo com procedimentos descritos na literatura.7 O controlo da reacção foi
efectuado por RMN de 31
P.
Ao fim de 17 horas de reacção, registou-se o espectro de RMN de 31
P e observou-se um sinal a
δ = 134.5 ppm e outro a δ = 159.3 ppm, Figura 2.2 i, atribuídos ao monofosfito tri- e di-substituído, 2.3 e
2.3a, respectivamente.
2.3a 2.3b 2.3c
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
28
Adicionou-se mais Et3N, obtendo-se, ao fim de 21 horas, o espectro apresentado na Figura 2.2 ii,
onde apenas se observou o sinal correspondente ao fosfito tri-substituido, 2.3, δ = 134 ppm e alguns na
zona de δ = 0 ppm, o que indica a presença de alguma percentagem de fosfito oxidado. Finalizada a
reacção, os solventes foram evaporados a pressão reduzida e adicionou-se uma pequena quantidade de
tolueno, seco e recentemente destilado, de forma a dissolver o fosfito e precipitar os sais de amina
formados, os quais foram posteriormente separados por filtração em celite, com um funil de filtração em
atmosfera inerte. A concentração do filtrado foi efectuada por evaporação a pressão reduzida, obtendo-
se o espectro de RMN de 31
P apresentado na Figura 2.2 iii, onde, além do sinal do produto esperado,
continuam a aparecer os correspondentes ao fosfito oxidado.
Figura 2.2: Espectros de RMN de 31
P de controlo do evoluir da reacção de síntese do monofosfito 2.3, através de
aliquotas retiradas do meio reaccional: i) mistura reaccional ao fim de 17 h, em CDCl3; ii) mistura raccional ao fim
de 21 h, em CDCl3; iii) produto depois de concentrado, em CDCl3; iv) produto depois de concentrado, em tol.D.
Todos os espectros realizados até esta fase foram efectuados em clorofórmio deuterado (CDCl3).
Numa tentativa de confirmar o resultado obtido, o mesmo foi registado em tolueno deuterado (tol.D),
observando-se neste espectro, Figura 2.2 iv, novamente a presença de dois sinais, δ = 134.5 ppm e outro
a δ = 159.3 ppm, atribuídos aos produtos 2.3 e 2.3a, respectivamente.
De forma a separar o produto pretendido, 2.3 com δ = 134.4 ppm, dos restantes, este foi
dissolvido numa mistura diclorometano/n-hexano (1:1), e procedeu-se a uma purificação por
cromatografia em coluna, sob atmosfera de azoto, usando como eluente a mesma mistura de solventes.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
29
Figura 2.3: Espectro de RMN de 31
P em tol.D, dos produtos da purificação do monofosfito 2.3. i) Fracção 1: 2.3b;
ii) Fracção 2: 2.3; iii) Fracção 3: maioritariamente produto 2.3c.
Desta cromatografia obtiveram-se três fracções de produtos diferentes, os quais foram
concentrados por evaporação a pressão reduzida, obtendo-se o produto isolado, tris[(S)-2’-
adamantanoato de 1,1’-binafto-2-ilo] fosfito, 2.3, como um sólido branco, com um rendimento de
38.3%. A caracterização foi efectuada por 1H RMN,
31P RMN e espectroscopia de massa ESI, cujos
principais resultados serão referidos de seguida, no entanto, esta encontra-se descrita, mais
detalhadamente, na secção experimental do Capítulo 5.
O produto da primeira fracção foi caracterizado a partir de RMN de 31
P, obtendo-se apenas um
sinal a δ = 129.4 ppm, Figura 2.3 i, e também através de espectroscopia de massa ESI, obtendo-se um
pico maioritário com m/z = 965.3533 ( valor calculado (C62H55O7PNa+
) = 965.3578), Figura 2.4 i. Da
análise comparativa destes dois resultados, conclui-se que este produto corresponde ao monofosfito di-
substituido hidrolisado, 2.3b.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
30
i) ii)
Figura 2.4: Espectro de massa ESI dos produtos de purificação do fosfito 2.3: i) Fracção 1; ii) Fracção 3.
O segundo produto da purificação foi caracterizado como sendo o monofosfito 2.3, com um sinal
no RMN de 31
P a δ = 134.5 ppm, Figura 2.3 ii, cujo espectro de massa ESI de alta resolução,
apresentado na Figura 2.5, está em completa concordância com a distribuição isotópica calculada
teoricamente.
Figura 2.5: Espectro de massa ESI do ligando 2.3 (fracção 2)
2.1
2.1
2.3c
Dímero do 2.3c
2.3b
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
31
O
OBn
P
O
O
O
Bn
OBn N
O O
PPO
O
O
O
nn
A terceira fracção resultante da purificação, além de alguma quantidade do produto anterior,
contém, na sua maioria, fosfito oxidado, 2.3c, cujos sinais do RMN de 31
P se encontram na zona do zero,
Figura 2.3 iii, e foi confirmado por espectroscopia de massa ESI, Figura 2.4 ii.
Outros ligandos do tipo fosfito derivados do BINOL foram sintetizados no grupo de Catálise &
Química Fina da FCTUC e gentilmente cedidos, o tris[(S)-2’-benziloxi-1,1’-binafto-2-ilo] fosfito, 2.4,
por Rui Carrilho,8 o 2,6-bis((11bR)-dinafto[2,1-d:1’,2’-f][1,3,2]dioxafosfepin-4-iloxi)piridina, 2.5, e o
2,6-bis((11bR)-dinafto[2,1-d:1’,2’-f][1,3,2]dioxafosfepin-4-iloxi)metil)piridina, 2.6, sintetizados e
gentilmente cedidos por Andreia Peixoto9 de forma a proceder, tanto estudos de complexação e cálculos
de estrutura electrónica como a estudos de aplicação na reacção de hidrogenação catalítica assimétrica
do itaconato de dimetilo.
n = 0, 2.5
2.4 n = 1, 2.6
Um dos principais objectivos do trabalho apresentado nesta dissertação é avaliar a influência da
variação da estrutura dos ligandos, tanto nas reacções de complexação como de hidrogenação catalítica
assimétrica. A diferença estrutural nos ligandos do tipo monofosfito está no grupo R, situado na posição
2’ do (S)-BINOL, no 2.3, R = adamantanoato e no 2.4, R = benziloxi.
Nos difosfitos, que são formados por duas unidades de BINOL unidas por uma ponte de piridina,
pretende-se avaliar a influência da alteração da estrutura dos braços da ponte. O ligando 2.5, difere do
2.6, num grupo metilo situado na posição 2,6 da ponte de piridina.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
32
2.2 Síntese e estudos de caracterização de complexos de Rh(I)
De forma a avaliar e interpretar a influência da estrutura dos ligandos tipo mono- e difosfito
derivados do BINOL, nos estudos de hidrogenação catalítica assimétrica, procedeu-se à síntese dos
complexos e respectiva caracterização recorrendo a estudos de RMN de 31
P, espectroscopia de massa e
de infravermelho (IV).
2.2.1 Síntese de complexos de Rh(I) de ligandos do tipo monofosfito
De forma a obter os complexos de Rh(I) dos ligandos 2.3 e 2.4, numa experiência tipo, colocou-se
num Schlenk, o precursor de ródio catiónico, [Rh(cod)2]OTf, 1 equivalente dos ligandos, em atmosfera
de azoto, e adicionou-se clorofórmio deuterado (CDCl3). Deixou-se em agitação durante cerca de 30
minutos, à temperatura ambiente, e registou-se directamente o espectro de RMN de 31
P. Seguidamente,
foi adicionado mais 1 equivalente de ligando de forma a registar o espectro do complexo com uma razão
de metal:ligando = 1:2.
Na Figura 2.6 apresentam-se os espectros de RMN de 31
P do ligando 2.3 livre, i, complexo 2.7
com uma razão de metal:ligando 2.3 = 1:1, ii, e 2.7 com uma razão de metal:ligando 2.3 = 1:2, iii.
Figura 2.6: Espectro de RMN de 31
P, em solução de CDCl3, do complexo 2.7: i) fosfito 2.3; ii) complexo 2.7,
(razão de metal:ligando = 1:1); iii) complexo 2.7 (razão de metal:ligando = 1:2).
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
33
Rh
P s
AdOCOOCOAd
AdOCO+
Pela análise dos espectros apresentados pode observar-se o desaparecimento do sinal
correspondente ao ligando livre a δ = 134.4 ppm, Figura 2.6 i, e o aparecimento de um dupleto a
δ = 100.9 ppm com uma constante de acoplamento 1JRh-P = 267.3 Hz, Figura 2.6 ii. Salienta-se que após
a adição de mais um equivalente de ligando, observa-se o aparecimento do sinal correspondente ao
ligando livre, δ = 134.4 ppm, e o dupleto a δ = 100.9 ppm, não sofre alteração significativa. Com base
nestes resultados, propõe-se que a estrutura do complexo 2.7 apenas permita a coordenação de um
ligando, do ciclo-octadieno e de uma molécula de solvente.
2.7A
Os mesmos estudos foram estendidos ao complexo 2.8, cujos espectros de RMN de 31
P, do
ligando livre, 2.4, do complexo 2.8 com uma razão de metal:ligando 2.4 = 1:1 e do complexo 2.8 com
uma razão de metal:ligando 2.4 = 1:2, são apresentados na Figura 2.7 i, ii e iii, respectivamente.
Figura 2.7: Espectro de RMN de 31
P do complexo 2.8 em solução de CDCl3: i) fosfito 2.4 livre; ii) complexo 2.8,
(razão metal:ligando = 1:1); iii) complexo 2.8 (razão metal:ligando = 1:2).
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
34
Rh
P OBn
OBn
BnO
+Rh
P s
OBn
BnO
+
OBn
Rh
P P
OBn
OBnOBn
OBn
BnO
+
BnO
Tal como no caso anterior, observa-se o desaparecimento do sinal correspondente ao ligando livre
a δ = 132.5 ppm, Figura 2.7 i e o aparecimento de um dupleto a δ = 105.9 ppm com 1JRh-P = 259.21 Hz,
característico do acoplamento entre os átomos de fósforo e ródio, Figura 2.7 ii. Quando se adicionou
mais um equivalente de ligando, há desaparecimento do dupleto situado a δ = 105.9 ppm, dando lugar a
outro situado a δ = 104.0 ppm, com constante de acoplamento 1JRh-P = 270.5 Hz, bem como o
correspondente sinal do ligando livre, Figura 2.7 iii.
Neste caso, como se observa um desvio do dupleto característico do complexo, admite-se que, é
possível ocorrer coordenação de dois ligandos, observando-se apenas um dupleto devido ao facto dos
átomos de fósforo serem equivalentes.
2.8A 2.8A’ 2.8B
De acordo com estes resultados propuseram-se as estruturas para o complexo com apenas um
ligando coordenado, 2.8A e 2.8A’ devido à possibilidade do ligando poder formar uma coordenação
hemilábil pelo átomo de oxigénio do grupo éter, e a estrutura 2.8B para o complexo de ródio (I) com
dois ligandos coordenados, as quais foram submetidas a cálculos de estrutura electrónica, cujos
resultados serão apresentados na secção seguinte deste Capítulo.
2.2.2 Síntese de complexos de Rh(I) de ligandos do tipo difosfito
O complexo de Rh(I) do ligando 2.5, foi sintetizado no Grupo de Catálise e Química Fina da UC,
a partir do precursor [Rh-μ-Cl(cod)]2 com um equivalente de ligando 2.5. Na Figura 2.8 i e ii, são
apresentados os espectros de RMN de 31
P do ligando 2.5 livre, e do complexo [Rh(Cl)2.5], 2.9,
respectivamente.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
35
NO O
P PRh
Cl
O
O
O
O
Figura 2.8: Espectro de RMN de 31
P em solução de THF, com tol.D: i) ligando 2.5 livre; ii) complexo 2.9.
Pela análise comparativa dos espectros, observa-se o desaparecimento do sinal a δ = 138,2 ppm,
atribuído ao ligando 2.5 não coordenado, e o aparecimento de um dupleto a δ = 113,5 ppm com
1J = 164,0 Hz, característico de um acoplamento entre dois átomos de fósforo equivalentes coordenados
ao ródio em posição trans, indicativo que todo o ligando livre complexou com o metal Rh(I), originando
uma única espécie em solução do tipo Rh(Cl)(PNP).10
2.9
Com o objectivo de avaliar a influência da estrutura da ponte de piridina na coordenação dos
ligandos ao metal, procedeu-se à síntese do complexo de Rh(I) com ligando 2.6, 2.10.
Numa experiência tipo, colocou-se num Schlenk o precursor de ródio dímero, [Rh-μ-Cl(CO)2]2 e o
ligando 2.6. Efectuam-se três ciclos de vácuo-azoto e adicionou-se, via seringa, THF seco, obtendo-se
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
36
uma solução amarela, a qual foi mantida em agitação durante 1 hora. De forma a precipitar o complexo,
adicionou-se à solução n-hexano, seco, até ficar turva e colocou-se no congelador durante 2 dias. De
seguida filtrou-se e secou-se, sob vácuo, obtendo-se um sólido amarelo, com um rendimento de 68%.
A caracterização do complexo foi efectuada recorrendo a espectroscopia de RMN de 31
P, IV e de massa
ESI. O espectro de RMN de 31
P do ligando e respectivo complexo são apresentados na Figura 2.9,i e ii,
respectivamente.
Figura 2.9: Espectro de RMN de 31
P em solução de THF com tol.D: i) ligando 2.6 livre; ii) complexo 2.10.
Pela análise do espectro, observa-se o desaparecimento do sinal a δ =135,2 ppm e o aparecimento
de dois duplos dupletos, um com desvio químico de δ = 148,6 ppm e constantes de acoplamento
1JRh-P = 289,9 e
2JP-P= 48,6 Hz, e o outro a δ = 152,0 ppm com
1JRh-P = 281,0 e
2JP-P= 46,9 Hz. Com base
em estudos descritos na literatura observa-se que os valores das constantes de acoplamento P-P são
características de fósforos não equivalentes em posição cis.11
O que se encontra a desvio químico mais
baixo δ = 148,6 ppm, com constante de acoplamento 1JRh-P = 289,9 maior, é característico do átomo de
fósforo que se encontra na posição trans ao cloro, enquanto o que apresenta maior desvio químico e
menor constante de acoplamento, 1JRh-P = 281,0 Hz é atribuído ao átomo de fósforo trans relativamente
ao grupo carbonilo.12
Com base nestes resultados propõe-se a formação de uma espécie de
Rh(I)(Cl)(CO)(P-P), 2.10.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
37
N
O O
PPO
O
O
O Rh
Cl CO
2.10
No espectro de IV do complexo, Figura 2.10, observa-se uma banda de absorção a 2008.7 cm-1
,
característica da coordenação do ligando carbonilo em posição trans relativamente ao átomo de fósforo
que está mais próximo do cloro,12
o que está de acordo com a estrutura proposta.
Figura 2.10: Espectro de infravermelho do complexo 2.10.
Pela análise por espectroscopia de massa ESI, cujo espectro é apresentado na Figura 2.11, obteve-
se a massa correspondente ao ião [M+ - (Cl)], cuja distribuição isotópica está de acordo com a calculada
teoricamente.
CO
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
38
Figura 2.11: Espectro de massa ESI do complexo 2.10.
Salienta-se que o método de síntese utilizado para isolar o complexo 2.10, foi testado nos
complexos de Rh(I) dos monofosfitos, 2.7 e 2.8, mas sem sucesso.
Para corroborar as hipóteses das estruturas propostas com base nos estudos de caracterização,
foram efectuados cálculos computacionais, os quais se apresentam na secção seguinte.
2.3 Cálculos de estrutura electrónica de ligandos e seus complexos
metálicos
De forma a complementar a informação obtida experimentalmente, bem como calcular parâmetros
geométricos importantes para a interpretação de resultados catalíticos, efectuaram-se cálculos de
estrutura electrónica através dos métodos, semi-empírico PM613
e DFT.
2.3.1 Ligandos do tipo monofosfito e seus complexos de Rh(I)
Nos estudos de optimização computacional, inicialmente geraram-se 50 confórmeros para cada
um dos ligandos, os quais foram optimizados através do método semi-empírico PM6,13
no programa
Mopac,14
seleccionando-se os de mais baixa energia para os estudos seguintes. De forma a simular o
efeito do solvente, as estruturas foram optimizadas com base no modelo COSMO,15
usando a constante
dielétrica do CH2Cl2, ε = 8.93, dado que foi este o solvente utilizado nas reacções de hidrogenação
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
39
catalítica com este tipo de ligandos, cujos resultados são apresentados no Capítulo 3. Essas mesmas
estruturas, foram seleccionadas para cálculos a nível de DFT, usando o funcional híbrido B3LYP16
e a
base de funções vdz,17
no programa Orca.18
Na Tabela 2.1 são apresentados os calores de formação padrão, para as estruturas obtidas em
PM6, bem como alguns parâmetros geométricos importantes para a análise das diferentes estruturas
avaliadas, em PM6 e DFT.
Tabela 2.1: Estruturas e parâmetros geométricos para o ligando 2.3 e 2.4 nas conformações syn e anti, pelos
métodos semi-empírico PM6 e DFT.
Entradas ΔHfº / kJ.mol
-1 Ângulo P-O-C / º Ângulo cónico / º
1 2.3 syn, PM6, vácuo -987.2 114.1 -
2 2.3 syn, PM6, CH2Cl2 -1044.5 114.0 -
3 2.3anti, PM6, vácuo -983.5 120.0 233.5
4 2.3anti, PM6, CH2Cl2 -1058.9 120.0 233.5
5 2.3 syn, DFT, vácuo - 126.0 -
6 2.4 syn, PM6, vácuo 215.8 114.0 -
7 2.4 syn, PM6, CH2Cl2 156.5 114.0 -
8 2.4 anti, PM6, vácuo 250.7 126 253.0
9 2.4 anti, PM6, CH2Cl2 191.8 125 253.0
10 2.4 syn, DFT, vácuo - 128.3/123.5/127.6 -
Pela comparação dos valores do calor de formação da mesma estrutura optimizada no vácuo e em
diclorometano, observa-se que ocorre uma estabilização electrostática da molécula pelo solvente,
Tabela 2.1, entradas 1 a 4 e 6 a 9. No entanto, pela comparação dos parâmetros geométricos
apresentados, observa-se que a estrutura não sofre alterações significativas.
Uma das principais características deste tipo de ligandos é a origem da quiralidade. Como se pode
observar pelas estruturas apresentadas, na Figura 2.12, estes ligandos, para além da quiralidade do
BINOL apresentam quiralidade helicoidal, ou seja a quiralidade, não provém apenas da orientação do
BINOL, mas também da forma como a molécula está orientada no espaço. Como ambos os ligandos 2.3
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
40
P
O OO
RRR P
O OO
RR
R
e 2.4 foram sintetizados a partir do (S)-BINOL, obtém-se uma hélice orientada no sentido anti-horário,
designada por M.
2.3 2.4
Figura 2.12: Vista de topo, em spacefill, das hélices M dos ligandos 2.3 e 2.4, estruturas optimizadas em PM6, no
vácuo (os átomos de hidrogénio são omitidos por motivos de clareza).
Os ligandos do tipo P(OR)3 podem-se encontrar, essencialmente em duas conformações
diferentes, syn, em que os grupos R se encontram do mesmo lado do par de electrões não ligante do
átomo de fósforo e anti, em que estes se encontram do lado oposto, Esquema 2.2. Dentro destas duas
conformações existem muitas outras possíveis, associadas à liberdade conformacional dos grupos R.6
syn anti
Esquema 2.2
Na Figura 2.13 estão representadas as estruturas de mais baixa energia obtidas para o ligandos 2.3
nas conformações syn e anti, respectivamente.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
41
2.3 syn 2.3 anti
Figura 2.13: Vista lateral, em ball and stick, da estrutura dos confórmeros 2.3 syn e 2.3 anti, optimizadas em
PM6, no vácuo.
Pelos resultados obtidos, pelo método semi-empírico PM6, Tabela 2.1, entradas 1, 3, 6 e 8, as
estruturas na conformação syn apresentam sempre menor energia, para ambos os ligandos, o que indica
que é esta a conformação mais estável do ligando livre cujas estruturas são apresentadas nas Figuras
2.13, 2.3 syn, e 2.14, 2.4 syn.
2.4 syn 2.4 anti
Figura 2.14: Vista lateral da estrutura dos confórmeros 2.4 syn e 2.4 anti , no vácuo, optimizadas em PM6.
De forma a validar os resultados obtidos, as estruturas de mais baixa energia, obtidas em PM6, de
cada um dos ligandos, 2.3 syn e 2.4 syn, foram submetidas a cálculos DFT.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
42
Pela análise comparativa dos resultados apresentados na Tabela 2.1, observa-se que, no caso do
ligando 2.3, que os ângulos POC, são diferentes, em PM6 é de 114.1º, Tabela 2.1 entrada 1, e em DFT
de 126º,Tabela 2.1, entrada 5, uma diferença de 12º, no entanto a estrutura mantém a simetria.
No caso do ligando 2.4, apesar de o diferença no valor dos ângulos não ser tão acentuada, Tabela
2.1, entradas 7 e 10, a estrutura perde a simetria C3 inicial, e os ângulos POC, são diferentes para os três
substituintes do átomo de fósforo, 128.3, 123.5 e 127.6º, Tabela 2.1, entrada 10.
Apesar da estrutura dos ligandos apenas diferir no grupo substituinte na posição 2’ do (S)-BINOL,
o ligando 2.4 apresenta uma maior liberdade conformacional, podendo o confórmero de mais energia
não se encontrar nos 50 gerados inicialmente, daí que a diferença entre as estruturas obtidas pelos dois
métodos seja maior para este ligando, Figura 2.15.
2.3 syn 2.4 syn
Figura 2.15: Vista de topo da sobreposição das estruturas 2.3 syn e 2.4 syn, optimizadas em PM6 (cinzento) e
DFT (roxo), no vácuo.
Pode também observar-se, pela sobreposição das estruturas obtidas em PM6 (cinzento) e em DFT
(roxo) maiores diferenças entre as estruturas optimizadas pelos dois métodos para o ligando 2.4, no
entanto, para o ligando 2.3 são bastante semelhantes.
Os efeitos dos ligandos de fósforo nas reacções de catálise homogénea são, habitualmente,
racionalizados através de parâmetros electrónicos e estereoquimicos, nomeadamente o âgulo cónico.
Este parâmetro, introduzido por Tolman, 19,20
na década de setenta era determinado recorrendo a
modelos moleculares de plástico, com os quais eram construídas as moléculas, sempre na conformação
anti, que é a que se espera que ligandos deste tipo adquiram quando coordenados ao metal. Por este
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
43
Rh
P P
OCOAd
AdOCO OCOAdOCOAd
OCOAd
AdOCO
+
Rh
P s
AdOCOOCOAd
AdOCO
+
motivo, a determinação do ângulo cónico para os ligandos 2.3 e 2.4, foi efectuada a partir da estrutura
anti de cada fosfito, depois de optimizada, Figuras 2.13 e 2.14, 2.3 anti e 2.4 anti.
De forma a proceder ao cálculo deste parâmetro, no programa Molden,21
define-se um ponto X,
situado no eixo de simetria C3 da estrutura, a uma distância de 2.28 Å do átomo de fósforo e mede-se o
ângulo P-X-H, onde H é o átomo de hidrogénio mais afastado. Este ângulo é definido pelos centros dos
átomos e, e de forma a obter o ângulo cónico, recorreu-se à seguinte equação, a qual tem em conta as
superfícies de van der Walls dos átomos.
Onde é o raio de van der Walls do átomo de hidrogénio e a distância X-H.
De forma comparar os valores obtidos por este método com os obtidos pelo método de Tolman,
efectuou-se a optimização, em PM6 de alguns fosfitos, cujo ângulo cónico se encontra descrito na
literatura, como o trimetil fosfito P(OMe)3, ou o trifenil fosfito, P(OPPh)3, obtendo-se os valores de 96 e
123º, respectivamente, que são próximos dos valores da literatura, 107 e 126º. 22
Os resultados obtidos para os ângulos cónicos dos ligandos 2.3 e 2.4, apresentados na Tabela 2.1,
mostram que, apesar de ambos apresentarem valores elevados, o 2.4 é maior do que o 2.3, Tabela 2.1,
entradas 4 e 9. Com base nestes resultados seria de esperar que, em condições de reacção, este ocupe um
maior espaço na esfera de coordenação do metal. No entanto, este não é o único factor a ter em conta na
coordenação do ligando ao metal, a liberdade conformacional tem também um papel muito importante
neste processo.
2.7A 2.7B
Com o objectivo de interpretar os resultados obtidos nos espectros de RMN de 31
P do complexo
2.7, geraram-se as espécies possíveis, numa razão de ródio:ligando de 1:1, [Rh(cod)2.3]+, 2.7A e 1:2,
[Rh(cod)(2.3)2]+, 2.7B, as quais foram optimizadas em PM6, cujas estruturas de mais baixa energia são
apresentadas na Figura 2.16.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
44
2.7A 2.7B
Figura 2.16: Vista lateral das estruturas das espécies 2.7A e 2.7B, optimizadas em PM6, no vácuo.
Com estes cálculos, pretende-se comparar a estabilidade energética relativa dos complexos,
recorrendo às reacções isodésmicas,23
nas quais o número e o carácter das ligações nos reagentes e nos
produtos são conservados, de modo a minimizar os erros no cálculo da energia de reacção, desprezando
os efeitos cinéticos. O cálculo da energia é efectuado segundo a fórmula,
ΔHfº = ΔHf
º (produtos) – ΔHf
º (reagentes)
Obteve-se para a espécie 2.7A, um ΔHfº = -100.3 kJ.mol-1
, e para a 2.7B, ΔHfº
= 516540.2
kJ.mol-1
, o que indica, claramente, que a segunda espécie é bastante desfavorável. Estes resultados estão
de acordo com os estudos de RMN de 31
P efectuados, com os quais se observou que, a adição de mais 1
equivalente de ligando à solução, não ocorre alteração do sinal do complexo a δ = 100.9 ppm com uma
constante de acoplamento 1JRh-P = 267.3 Hz, logo, apenas coordena um ligando.
Na espécie 2.7A, o metal fica com um sítio livre de coordenação, o qual pode ser ocupado pela
coordenação de uma molécula de solvente, ou, no caso do ligando ser hemilábil, por um dos átomos de
oxigénio do grupo acetilo (C=O) do ligando. Na tentativa de obter a espécie hemilábil, pelo método
semi-empírico PM6, para este complexo, ocorreu sempre a descoordenação do átomo de oxigénio,
obtendo-se, no mínimo de energia a estrutura 2.7A.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
45
Os mesmos estudos foram estendidos ao complexo 2.8, cujas estruturas de mais baixa energia
para as duas espécies possíveis, com razão de metal:ligando de 1:1, [Rh(cod)2.4]+, 2.8A e com razão de
metal:ligando de 1:2, [Rh(cod)(2.4)2]+, 2.8B, são apresentadas na Figura 2.17.
2.8A 2.8B
Figura 2.17: Vista lateral das estruturas das espécies 2.8A e 2.8B, optimizadas em PM6, no vácuo.
Tal como para o complexo 2.7, a espécie mais favorável, pelas reacções isodésmicas, é a
2.8A, com apenas um ligando coordenado, com um ΔHfº = -1213879.2 kJ.mol-1
. Para a espécie 2.8B o
valor de energia é extremamente elevado, ΔHfº = 1221858,1 kJ.mol-1
.
A espécie de mais baixa energia, 2.8A, obtida pelo método semi-empírico PM6, para o complexo 2.8A,
foi também submetida a cálculos DFT, cuja estrutura de mais baixa energia é apresentada na
Figura 2.18.
Neste caso observa-se a formação do complexo metálico hemilábil, 2.8A’,em que ocorre
coordenação do átomo de oxigénio do grupo éter ao metal, formando um complexo planar quadrado
com o ligando quelato P-Rh-O, com um ângulo de complexação de 87.3º. Esta interacção não é possível
observar nas estruturas optimizadas em PM6 devido à parametrização do método, mesmo quando a
estrutura obtida pelos cálculos DFT, é optimizada em PM6, ocorre sempre a descoordenação do átomo
de oxigénio.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
46
2.8A’
Figura 2.18: Vista lateral da estrutura da espécie 2.8A’ optimizada em DFT.
Pela análise comparativa dos resultados obtidos computacionalmente com os estudos de RMN in
situ efectuados para o complexo 2.8, nos quais ocorre uma alteração do sinal do complexo quando se
adiciona mais 1 equivalente de ligando à solução, pode observar-se que as diferentes liberdades
conformacionais dos grupo R, (ligando 2.3, R = adamantanoato e no 2.4 R = benziloxi), podem impedir
ou não a coordenação de mais do que um ligando ao metal. Apesar do ângulo cónico do ligando 2.4 ser
maior do que o do 2.3, este tem um grupo R com maior flexibilidade permitindo a adaptação da
molécula ao espaço disponível e, consequentemente, a coordenação de dois ligandos ao metal, o que não
se observa no complexo 2.7, devido à maior rigidez do grupo adamantanoato.
Estes estudos foram estendidos a ligandos do tipo difosfito com pontes de piridina, cujos
resultados são apresentados na secção seguinte.
2.3.2 Ligandos do tipo difosfito e seus complexos metálicos
Inicialmente foi efectuado um estudo conformacional dos ligandos do tipo bis-BINOL-fosfito
com pontes de piridina, 2.5 (ponte: 2,6-bis(hidroxipiridina) e 2.6 (ponte: 2,6-bis(hidroximetil)piridina),
através do método semi-empírico PM6,13
no programa Mopac,14
cujas estruturas de mais baixa energia
foram seleccionadas para os estudos seguintes. A constante dielétrica do meio, usada na optimização
deste tipo de ligandos foi a do THF, ε = 7.52, dado que foi este o solvente utilizado tanto nas reacções de
hidrogenação catalítica como de complexação. As estruturas de mais baixa energia de ligandos e
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
47
complexos, obtidas em PM6, foram optimizadas recorrendo a cálculos DFT, usando o funcional híbrido
B3LYP16
e a base de funções vdz,17
no programa Orca.18
Na Figura 2.19 são apresentadas as estruturas minimizadas através do método semi-empírico
PM6, para os ligandos 2.5 e 2.6.
2.5 2.6
Figura 2.19: Estrutura dos confórmeros de mais baixa energia optimizadas em PM6 dos ligandos 2.5 e 2.6, no
vácuo.
Pela análise das estruturas apresentadas, observa-se que, apesar da estrutura dos ligandos 2.5 e 2.6
apenas diferirem num grupo metilo situado nas posições 2,6 da ponte de piridina, as suas geometrias, na
conformação mais estável, apresentam geometrias bastante diferentes.
Nas Tabelas 2.2 e 2.3 são apresentados os valores de alguns parâmetros geométricos para os
ligandos 2.5 e 2.6, como o ângulo diedro formado pelos átomos POCN e POCC, respectivamente, da
ponte de piridina e a distância entre os átomos de fósforo, em PM6 e em DFT.
Tabela 2.2: Energias e parâmetros geométricos obtidos para o ligando 2.5 na optimização efectuada pelos métodos
semi-empírico PM6 e em DFT.
Entradas ΔHfº / kJmol
-1 Diedro POCN / º Diedro NCOP / º Distância P-P /Å
1 PM6, vácuo -496.8 -3.3 -3.3 3.7
2 PM6, THF -552.4 -5.3 -5.3 3.7
3 DFT, vácuo - -2.4 -3.6 4.5
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
48
Pelos resultados obtidos, observa-se que há estabilização da molécula pelo solvente, em qualquer
um dos ligandos, Tabela 2.2, entradas 1 e 2, e Tabela 2.3, entradas 1 e 2, a energia obtida é sempre mais
baixa, quando se tem em conta a constante dieléctrica do meio, THF, no entanto, pelos valores dos
ângulos e distâncias apresentados, a estrutura não sofre alterações significativas.
Tabela 2.3: Energias e parâmetros geométricos obtidos para os ligandos 2.6 na optimização efectuada pelos
métodos, semi-empírico PM6 e em DFT.
Entradas ΔHfº / kJmol
-1 Diedro POCC /º Diedro CCOP /º Distância P-P / Å
1 PM6, vácuo -470.0 -103.4 -74.6 8.8
2 PM6, THF -530.2 -103.4 -74.7 8.8
3 DFT, vácuo - -121.6 -104.7 9.8
Comparando as estruturas do ligando 2.5, obtidas pelos dois métodos, PM6 e DFT, Figura 2.20,
observa-se que, apesar de apresentarem algumas diferenças, nomeadamente nos parâmetros geométricos
apresentados na Tabela 2.2, entradas 1 e 3, as mesmas não são muito acentuadas. No entanto, para o
ligando 2.6, esta diferença é maior, como se pode observar pelos valores dos ângulos diedros e das
distâncias entre os átomos de fósforo, Tabela 2.3, entradas 1 e 3, o que também é evidenciado na Figura
2.20, onde se observa que há maiores diferenças entre as estruturas optimizadas pelos dois métodos para
este ligando.
2.5 2.6
Figura 2.20: Estruturas dos ligandos 2.5 e 2.6, optimizadas em PM6 (cinzento) e DFT (roxo), no vácuo.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
49
Tal como foi observado para os monofosfitos, como ligando 2.6 tem o grupo metil nas posições
2,6 da ponte de piridina, vai conferir ao ligando 2.6 uma maior liberdade conformacional, observando-se
por isso, neste tipo de estruturas maiores diferenças entre os métodos PM6 e DFT.
A espécie prevista pelo espectro de RMN de 31
P, para o complexo 2.9 foi submetida a cálculos
computacionais pelos métodos semi-empírico PM6 e DFT. Na Figura 2.21 é apresentada a estrutura
obtida para o complexo 2.9, no vácuo, a qual está de acordo com os resultados obtidos
experimentalmente.
2.9
Figura 2.21: Estrutura do complexo 2.9, optimizada em PM6, no vácuo.
Os valores dos calores de formação, para as estruturas obtidas em PM6, para o complexo 2.9, bem
como os parâmetros geométricos considerados relevantes são apresentados na Tabela 2.4.
Tabela 2.4: Energias e parâmetros geométricos obtidos para o complexo de Rh(I) do ligando 2.5 na optimização
efectuada pelos métodos semi-empírico PM6, no vácuo e em THF e em DFT, no vácuo.
Entradas Complexo ∆Hf° / kJ.mol-1
P-Rh-P / º P1-Rh / Å P2-Rh / Å
1 2.9, PM6, vácuo -613.7 167.0 2.1 2.1
2 2.9, PM6, THF -712.7 166.1 2.1 2.1
3 2.9, DFT, vácuo - 165.1 2.3 2.3
4 2.9Li+, PM6, vácuo -148.3 166.7 2.0 2.1
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
50
Pela análise dos resultados, observa-se, também neste caso, uma estabilização electrostática da
molécula pelo solvente, Tabela 2.4, entradas 1 e 2, obtendo-se valores de energia mais baixos quando a
estrutura é optimizada em THF, não sofrendo alterações significativas na sua geometria.
Pelos parâmetros geométricos calculados para as estruturas optimizadas em PM6 e DFT, Tabela
2.4, entradas 1 e 3, observa-se que não são muito diferentes, estando a estrutura obtida em PM6 muito
próxima da optimizada em DFT, Figura 2.22.
2.9
Figura 2.22: Sobreposição das estruturas do complexo 2.9 optimizadas em PM6 (cinzento) e DFT (roxo), no
vácuo.
Estes ligandos, do tipo bis-BINOL-fosfito com pontes de piridina, são designados ditópicos24
devido ao facto de possuírem na sua estrutura diferentes heteroátomos (N, O), o que lher confere a
possibilidade de coordenar por dois pontos. Existem na literatura estudos, como os efectuados por
Owens et. al.25
, que indicam que a adição de sais de lítio às reacções de hidroformilação do estireno
catalisadas por complexos de ródio com este tipo de ligandos, aumentam a regiosselectividade, não se
observando alterações significativas na actividade. Resultados semelhantes foram obtidos no Grupo de
Catálise & Química Fina,9 nas mesmas reacções catalisadas por complexos de Rh(I) com os ligandos
2.5 e 2.6.
Para racionalizar o efeito da adição de sais de lítio na regiosselectividade da reacção de
hidroformilação de olefinas envolvendo complexos metálicos de Rh(I) com ligandos ditópicos, foram
também efectuados cálculos semi-empíricos das estruturas destes complexos na presença do ião Li+. A
estrutura de mais baixa energia obtida para o ligando 2.9 na presença destes sais é apresentada na
Figura 2.23.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
51
[2.9]Li+
Figura 2.23: Estrutura do complexo 2.9 na presença de sal de lítio, optimizada em PM6, no vácuo.
Pela análise comparativa dos parâmetros geométricos indicados na Tabela 2.4, entradas 1 e 4, não
se verificam grandes alterações na geometria do complexo, situando-se o ião lítio à distância de 2.2 Å
do(s) átomo(s) de oxigénio mais próximo e 2.5 Å do sistema π. No entanto, apesar dos estudos
existentes na literatura apontarem para que esta interacção só se observa com ligandos ditópicos, neste
caso em particular, só se observa interacção do ião Li+ com átomo de O e nunca com o de N, mesmo
partindo de estruturas com o ião mais próximo deste átomo.
Com o objectivo de clarificar estas questões, procedeu-se à optimização da estrutura do complexo
de molibdénio, reportado por Gray,25
2.11, cuja estrutura de mais baixa energia é apresentada na
Figura 2.24.
2.10
Figura 2.24: Estrutura de mais baixa energia do complexo 2.11, em PM6, no vácuo.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
52
Foram efectuados vários cálculos do complexo 2.11 com o ião Li+ posicionado em diferentes
locais no complexo, de forma a observar as interacções do ião com os heteroátomos, O e N e também
com o sistema π. Na Figura 2.25 apresentam-se duas das espécies de mais baixa energia, obtidas pela
optimização em PM6 do complexo 2.11, a e b na presença de Li+.
[2.11a]Li+ [2.11b]Li
+
Figura 2.25: Estruturas das espécies do complexo 2.11 com Li+, em PM6, no vácuo.
Na espécie [2.11a]Li+, com Hfº = -2237,8 kJ.mol
-1, o ião encontra-se a 2.0 Å do átomo de O e a
2.2 Å do de N. Na [2.11b]Li+, a de mais baixa energia, Hf
º = -2271,8 kJ.mol-1
, observa-se interacção do
ião Li+ com o átomo de oxigénio do grupo carbonilo (distância de 2.0 Å) e com o sistema π (distância de
2.6 Å), do grupo difenilo, tal como se observou no complexo [2.9]Li+, onde ocorreu interacção do ião
lítio com o átomo de oxigénio do fosfito e com o sistema π, do BINOL.
Pelos estudos de caracterização do complexo 2.10, por RMN de 31
P, espectroscopia de massa ESI
e IV, observou-se que complexo seria um quelato do tipo Rh(I)(Cl)(CO)(P-P) com os átomos de fósforo
em posição cis um relativamente ao outro, e efectuaram-se cálculos computacionais de forma a
corroborar a estrutura proposta para o complexo, a qual é apresentada na Figura 2.26.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
53
2.10
Figura 2.26: Estrutura do complexo 2.10, optimizada em PM6, no vácuo.
Esta espécie foi também optimizada tendo em conta a interacção electrostática com o solvente,
THF, e tal como anteriormente, observa-se uma diminuição no valor do calor de formação, Tabela 2.5,
entradas 1 e 2, não se observando alterações significativas na geometria do complexo metálico.
Tabela 2.5: Energias e parâmetros geométricos obtidos para o complexo 2.10 na optimização efectuada pelos
métodos semi-empírico PM6, no vácuo e em THF e em DFT, no vácuo.
Entradas Complexo ∆Hf° / kJ.mol-1
P-Rh-P / º P1-Rh / Å P2-Rh / Å
1 2.10, PM6, vácuo -794.1 112.3 2.1 2.2
2 2.10, PM6, THF -916.7 112.3 2.1 2.2
3 2.10, DFT, vácuo - 97.5 2.3 2.4
4 [2.10]Li+, PM6, vácuo -205.9 112.8 2.2 2.2
Quando a estrutura obtida em PM6 é optimizada em DFT, Tabela 2.5, entradas 1 e 3, as
estruturas de mais baixa energia obtidas apresentam algumas diferenças nos parâmetros geométricos
calculados. O ângulo de complexação e as distâncias P-Rh para a estrutura minimizada em PM6 são de
112.3º, 2.1, e 2.2 Å, respectivamente, enquanto em DFT são de 97.5º, 2.3 e 2.4 Å, Tabela 2.5, entradas 1
e 3. Na Figura 2.27 apresenta-se a sobreposição das estruturas obtidas pelos dois métodos.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
54
2.10
Figura 2.27: Estruturas do complexo 2.10, optimizadas em PM6 (cinzento) e DFT (roxo), no vácuo.
Pela comparação das estruturas de mais baixa energia, obtidas pelos dois métodos, observam-se
maiores diferenças, tanto no ligando livre 2.6 (ponte: 2,6-bis(hidroximetil)piridina), como no complexo
2.10, do que para o ligando 2.5 (ponte: 2,6-bis-hidroxipiridina), e complexo 2.9. Tal como já foi
referido anteriormente, para moléculas com maior liberdade conformacional, o método semi-empírico
PM6 revela-se um pouco mais limitado.
A estrutura do complexo 2.10 foi também optimizada na presença do ião Li+, cuja estrutura de
mais baixa energia é apresentada na Figura 2.28.
[2.10]Li+
Figura 2.28: Estrutura do complexo 2.10 na presença de sal de lítio, optimizada em PM6, no vácuo.
Observa-se, nesta estrutura, Figura 2.26, tal como para os estudos anteriores, que ocorre
interacção do ião com o átomo de oxigénio do fosfito (1.7 Å) em posição cis relativamente ao CO e com
o sistema π do BINOL (3.5 Å). Salienta-se no entanto que nunca se obteve nenhuma estrutura com o ião
lítio posicionado nas proximidades do átomo de oxigénio cis ao átomo de cloro. Pela análise
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
55
comparativa dos parâmetros geométricos apresentados na Tabela 2.5, entradas 1 e 4, a estrutura do
complexo não se sofreu alterações significativas.
2 Síntese e cálculos de estrutura electrónica de fosfitos e seus complexos metálicos
56
Referências
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da Universidade de Coimbra, Coimbra (2008).
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Chem., 46 (2007) 10479.
4 M. Rubio, A. Suárez, D. Rio, A. Galindo, E. Álvarez, A. Pizzano, Dalton Trans., (2007) 407.
5 H.U. Blaser, A. Indolese, A. Schnyder, Current Science, 78 (2000) 1336.
6 M.T. Reetz, H. Guo, J. Ma, R. Goddard, R.J. Mynott, J. Am. Chem. Soc., 131 (2009) 4136.
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Letters. 38 (2009) 844.
9 A. Peixoto, Desenvolvimento de Novos Catalisadores de Metais de Transição. Catálise de Reacções de
Carbonilação Conducentes à Obtenção de Produtos de Valor Acrescentado, Dissertação de Doutoramento,
Departamento de Química da Universidade de Coimbra, Portugal (2010).
10 J.I. van der Vlugt, R. Sablong, A.M. Mills, H. Kooijman, A.L. Spek, A. Meetsma, D. Vogt, Dalton Trans.
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11 A. Marson, Z. Freixa, P.C. Kramer, P. van Leeuwen, Eur. J. Inorg. Chem. (2007) 4587.
12 B. Punji, M.S. Balakrishna, J. Organomet. Chem., 692 (2007) 1683.
13 J.J.P. Stewart, J. Comp. Chem., 10 (1989) 209.
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15 A. Klamt, G. Schüürmann, J. Chem. Soc. Perkin. Trans. 2 (1993) 799.
16 A.D. Becke, J. Chem. Phys. 98 (1993) 1372.
17 A. Schaefer, H. Horn, R. Ahlrichs, J. Chem. Phys., 97 (1992) 2571.
18 http://thch.oni-bonn.de/tc/orca/
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22 R.M.B. Carrilho, M.A.O. Lourenço, A.C.B. Neves, A.R. Abreu, M.T.S. Rosado, P.E. Abreu, M.E.S. Eusébio, L.
Kollár, J.C. Bayón, M.M. Pereira, Catal. Sci. Technol., (2011), submetido para publicação.
23 R. Vessecchi, S.E.Galembeck, N.P. Lopes, P.G.B.D. Nascimento, A.E.M. Crotti, Quim. Nova, (2008) 840.
24 B.I. Kharisov, P.E. Martinez, V.M. Jimenez-Perez, O.V. Kharisova, B.N. Martinez, N.J. Perez, J. Coord. Chem.,
63 (2010) 1.
25 S.B. Owens, G.M. Gray, Organometallics, 27 (2008) 4282.
57
Capítulo 3
Reacções de hidrogenação enantiosselectiva
catalisada por complexos de ródio com fosfitos
derivados do BINOL
A reacção de hidrogenação catalítica assimétrica é uma ferramenta fulcral para a síntese de novos
produtos enantiomericamente enriquecidos. Neste domínio, os ligandos de fósforo derivados do BINOL
desempenharam um importante papel. Por este motivo, nos últimos anos tem-se observado uma procura
crescente de novos ligandos capazes de formar sistemas catalíticos mais activos e selectivos em
hidrogenação de olefinas funcionalizadas, nomeadamente em reduções de α-dihidroaminoácidos,
enamidas ou derivados do ácido itacónico, catalisadas por complexos de metálicos.1
Durante vários anos, tal como foi referido no Capítulo 1, considerou-se que apenas ligandos
bidentados poderiam dar origem a sistemas activos e enantiosselectivos em reacções de hidrogenação
catalítica assimétrica.2 No entanto, no ano 2000, foram publicados na literatura, exemplos de complexos
de ródio com ligandos de fósforo monodentados, que eram activos e também muito selectivos neste tipo
3 Reacções de hidrogenação enantiosselectiva catalisada por complexos de ródio com fosfitos derivados do BINOL
58
O
O
P
O
O
O
OO
O
O
Ad
Ad
Ad
O
OBn
P
O
O
O
Bn
OBn
N
O O
PPO
O
O
O
nn
O
O
O
O
H2
Rh/L* O
O
O
O
O
O
O
O
(R)-dimetil metilsuccinato (S)-dimetil metilsuccinato
2.3 2.4
2.5, n = 02.6, n = 1
de reacções.3 Recentemente foram reportados ligandos do tipo monofosfito helicoidais, designados por
hemilábeis4 que também deram origem a complexos metálicos activos e selectivos nas mesmas reacções.
3.1 Hidrogenação catalítica assimétrica do itaconato de dimetilo
Nos trabalhos que conduziram à escrita desta dissertação, avaliou-se a actividade de ligandos do
tipo monofosfito helicoidal de simetria C3, 2.3 e 2.4, e do tipo bis-BINOL-fosfito com pontes de
piridina, 2.5 e 2.6, anteriormente caracterizados estruturalmente por métodos computacionais e
espectroscópicos, cujos resultados foram apresentados no Capítulo 2, na reacção de hidrogenação do
itaconato de dimetilo, Esquema 3.1.
Esquema 3.1
Numa reacção tipo, o catalisador foi gerado in situ, a partir da reacção do precursor de ródio
catiónico [Rh(cod)2]BF4 ou [Rh(cod)2]OTf, com os respectivos ligandos seleccionados, utilizando
diclorometano (CH2Cl2) ou tetra-hidrofurano (THF) como solvente, à temperatura de 30ºC, durante 30
minutos. Seguidamente foi adicionado, via cânula, uma solução desarejada de itaconato de dimetilo,
com uma razão de Rh:substrato de 1:100 no mesmo solvente, e após dois ciclos de vácuo/H2 o autoclave
foi pressurizado com a pressão seleccionada de H2. O controlo da reacção foi efectuado por
cromatografia gasosa através da análise de aliquotas retiradas, sob pressão, ao longo do tempo, cujos
resultados são apresentados na Tabela 3.1.
3 Reacções de hidrogenação enantiosselectiva catalisada por complexos de ródio com fosfitos derivados do BINOL
59
Tabela 3.1: Resultados catalíticos da reacção de hidrogenação do itaconato de dimetilo com complexos de ródio
dos ligandos 2.3, 2.4, 2.5 e 2.6.
Entrada Metal Ligando P /bar conv./(%)
t /h ee/(%)
1 [Rh(cod)2]BF4 - 10 33 24 0
2 [Rh(cod)2]OTf - 10 17 24 0
3 [Rh(cod)2]BF4 2.4 10
53 24
21 (S)
100 48
4 [Rh(cod)2]OTf 2.4 10 46 24 40 (S)
5a
[Rh(cod)2]OTf 2.4 2
20 24
36 (S)
41 48
6a
[Rh(cod)2]OTf 2.3 2
36 24
62 (R)
87 48
7b [Rh(cod)2]BF4 2.5 10 3 75 -
8b
[Rh(cod)2]OTf 2.6 10 96 24 23 (R)
9b
[Rh(cod)2]OTf 2.6 2 78 24 25 (R)
Condições gerais de reacção: percursor de ródio (15.8 x 10-3
mmol); substrato:P:Rh = 100:2:1; T=30ºC; solvente:
diclorometano (4mL); asubstrato:P:Rh = 50:2:1;
bP:Rh = 1:1; solvente: THF (4mL).
Estes estudos foram iniciados com a avaliação de diferentes precursores no efeito na actividade da
reacção de hidrogenação catalítica do itaconato de dimetilo, nomeadamente os complexos catiónicos,
[Rh(cod)2]BF4 e o [Rh(cod)2]OTf, a uma pressaõ de 10 bar de H2, cujos resultados se encontra na Tabela
3.1, entradas 1 e 2, respectivamente. Pode observar-se que ambos os sistemas originaram baixas
conversões, em 24 horas (33 e 17% respectivamente), sendo o sistema catalítico que utilizou o precursor
[Rh(cod)2]BF4 ligeiramente mais activo. Em seguida a reacção de hidrogenação foi efectuada com os
mesmos precursores catalíticos, à mesma pressão de 10 bar de H2 mas na presença de 2 equivalentes do
monofosfito 2.4, e os resultados obtidos encontram-se Tabela 3.1, entradas 3 e 4.
Da análise comparativa destes resultados, pode observar-se que os sistemas catalíticos que
envolveram a utilização de [Rh(cod)2]BF4 como precursor são mais activos do que os de [Rh(cod)2]OTf.
3 Reacções de hidrogenação enantiosselectiva catalisada por complexos de ródio com fosfitos derivados do BINOL
60
Rh
s
s s
s
Rh
H2
+
+
Rhss
PBnO
BnOOBn
+
2.4
Este resultado pode ser atribuído à existência de um equilíbrio entre uma espécie activa com ligando e
outra sem ligando, Esquema 3.2,
Esquema 3.2
Contudo é de salientar que o excesso enantiomérico com o precursor Rh(cod)2]BF4 é
consideravelmente menor (21%) do que com [Rh(cod)2]OTf (40%), Tabela 3.1, entradas 3 e 4,
respectivamente. Estes resultados estão de acordo com as observações reportadas por Hua,5 onde o autor
avaliou a influência do contra-ião do precursor, nas mesmas reacções catalisadas por complexos de
ródio catiónicos na presença de monofosfosfitos volumosos.
Baseado neste resultado, os estudos do efeito da pressão e da estrutura do ligando foram
efectuados com o precursor [Rh(cod)2]OTf, e também por ser o menos activo na ausência de ligando de
fósforo. Assim, ainda na presença do ligando 2.4 a reacção de hidrogenação foi efectuada descendo a
pressão de H2 de 10 para 2 bar. Nesta experiência obteve-se uma conversão de apenas 20% após 24
horas e de 41% após 48 horas, Tabela 3.1, entrada 5, mesmo com razão de Rh:subtrato de 1:50, o que
indica que o passo lento da velocidade de reacção é o da adição oxidativa de hidrogénio, Esquema 3.4.
Para observar o efeito da estrutura do ligando na actividade e selectividade da reacção de
hidrogenação utilizámos como precursor de ródio o [Rh(cod)2]OTf, à pressão de 2 bar, mas na presença
de 2 equivalentes do ligando 2.3 tendo-se obtido 36% de conversão, após 24 horas e 62% de excesso
enantiomérico, Tabela 3.1, entrada 6. É de salientar que os ligandos do tipo monofosfito helicoidais, 2.3
e 2.4, apesar das semelhanças estruturais, apresentaram actividades e enantiosselectividades, bastante
diferentes. Para além disso, é ainda de salientar que apesar de ambos os fosfitos serem sintetizados a
partir do (S)-BINOL, a estereoquímica do produto final é oposta, (R) para o ligando 2.3 e (S) para o
ligando 2.4, Tabela 3.1, entradas 3 a 6, o que indica que a selectividade resulta essencialmente da
quiralidade helicoidal do ligando.
3 Reacções de hidrogenação enantiosselectiva catalisada por complexos de ródio com fosfitos derivados do BINOL
61
Rh
PBnO
BnOOBn
P OBn
OBn
BnO
+
Pelos estudos computacionais e de complexação, apresentados no Capítulo 2 desta dissertação,
para os ligandos do tipo P(OR)3 , 2.3 e 2.4, observa-se que apesar de ambos apresentarem estrutura
helicoidal de simetria C3, os diferentes grupos substituintes têm obviamente influência em alguns dos
parâmetros geométricos calculados, nomeadamente no ângulo cónico.6,7
Os valores de ângulo cónico
obtidos foram de 233º e 235º para os fosfitos 2.3 e 2.4, respectivamente. Estes valores, elevados, mas da
mesma ordem de grandeza, para ambos os ligandos não justificam as diferenças de actividade e de
selectividade observadas na reacção de hidrogenação. A nossa interpretação para os resultados centra-se
na diferente liberdade conformacional resultante dos diferentes grupos substituintes dos ligandos. A
maior enantiosselectividade obtida com o catalisador de ródio do ligando 2.3, que contém um grupo
adamantanoato na posição 2´do BINOL, muito mais rígido do que o grupo benziloxi do ligando 2.4,
pode ser justificada pela maior dificuldade de ocorrência de interconversão rápida entre os enantiómeros
P e M da hélice, tal como referido no Capítulo 1.
Por outro lado, a maior actividade dos catalisadores contendo o ligando 2.3 do que os do ligando
2.4, Tabela 3.1, entradas 5 e 6, a pressões de 2 bar, pode ser atribuída ao facto de apenas o ligando 2.4,
com maior liberdade conformacional, poder formar complexos bidentados com coordenação hemilábil
pelo átomo de oxigénio do éter, envolvendo 2 ligandos, 2.8B’, Esquema 3.3, o que pode dificultar o
passo da coordenação do substrato.
2.8B’
Esquema 3.3
A hipótese de formação da espécie 2.8B’ do complexo foi corroborada pelos estudos
computacionais de DFT e estudos de complexação, em solução por RMN de 31
P, tal como apresentado
no Capítulo 2, os quais estão de acordo com os estudos de aplicação de ligandos deste tipo em reacções
de hidrogenação enantiosselectiva, existentes na literatura,3 onde foi observado que ligandos de estrutura
3 Reacções de hidrogenação enantiosselectiva catalisada por complexos de ródio com fosfitos derivados do BINOL
62
NO O
P PRh
Cl
O
O
O
O
helicoidal, com grupos mais rígidos, como é o caso do adamantanoato, são mais estáveis
conformacionalmete, originaram também sistemas mais enantiosselectivos.
Estes estudos prosseguiram com a avaliação da actividade e selectividade dos complexos de ródio
de ligandos do tipo bis-Binol-fosfito, com pontes de piridina de cadeias variadas, 2.5 e 2.6, na reacção
de hidrogenação do itaconato de dimetilo a uma pressão de 10 bar, utilizando tetra-hidrofurano como
solvente e com uma razão Rh(I):substrato 1:100, cujos resultados se encontram na Tabela 3.1,
entradas 7 a 9.
Na experiência realizada com o precursor [Rh(cod)2]BF4 e o ligando 2.5 obteve-se apenas 3% de
conversão após 75 horas, Tabela 3.1, entrada 7. Este resultado pode interpretar-se com base nos cálculos
computacionais PM6 e DFT e ainda no RMN de 31
P onde há evidências da formação de um quelato
PNP, muito estável, de estrutura planar quadrada, com átomos de fósforo em posição trans e ainda com
o átomo de N da piridina coordenado ao metal, 2.9. Este complexo quando coordenado com uma
molécula de THF do solvente fica saturado e evita a coordenação do substrato e/ou a adição oxidativa do
hidrogénio, bloqueando o ciclo catalítico.
2.9
Por outro lado, na reacção de hidrogenação do mesmo substrato, nas mesmas condições de
reacção, mas utilizando [Rh(cod)2]OTf como precursor catalítico e o bis-BINOL-fosfito, 2.6, como
ligando obteve-se 96% de conversão, após 24 horas, e apenas 23% de excesso enantiomérico Tabela 3.1,
entrada 8.
Para tentar observar o efeito da pressão de hidrogénio na actividade e selectividade, a reacção foi
repetida mas a uma pressão de H2 de 2bar, tendo-se obtido uma diminuição na conversão, de 96 para
78%, e nenhuma alteração significativa na enantiosselectividade (25%), Tabela 3.1, entrada 9. É de
salientar que apesar do ligando 2.6 diferir do 2.5 apenas pelo grupo metilo nas posições 2,6 da ponte de
piridina, a sua actividade catalítica é muito diferente. Tanto por cálculos computacionais como por
estudos de coordenação com ródio, observa-se a formação preferencial de um quelato PP, com os
átomos de fósforo em posição cis, 2.10.
3 Reacções de hidrogenação enantiosselectiva catalisada por complexos de ródio com fosfitos derivados do BINOL
63
N
O O
PPO
O
O
O Rh
Cl CO
RhP
H
O
H
POMe
MeO2C
RhP
P*
RhP
P s
s*
H2
MeO2C
O
OMe
RhP
P
H2
MeO2C
O
OMe*
I
II
III
IV
V
III'
MeO2C
OMeO
RhP
P
CO2Me
MeO O
RhPO
H
POMe
MeO2C
*
*
* *
+
+
++
+3
+3
2.10
De acordo com Knowles,8 num nos trabalhos pioneiros sobre o mecanismo de hidrogenação
assimétrica catalisada por complexos de Rh(I) com difosfinas, a enantiosselectividade desta reacção
depende essencialmente da velocidade da reacção com que ocorre o passo seguinte à coordenação do
substrato. Com base nesses estudos, no Esquema 3.4 é apresentada uma proposta mecanística para a
reacção de hidrogenação do itaconato de dimetilo catalisada pelo complexo de ródio (I) com ligando 2.6.
Esquema 3.4
3 Reacções de hidrogenação enantiosselectiva catalisada por complexos de ródio com fosfitos derivados do BINOL
64
A reacção foi efectuada com uma razão de ligando:metal de 1:1, obtendo-se o complexo I, planar
quadrado com o bis-BINOL-fosfito, 2.6 a formar um quelato PP, e um ciclo-octadieno coordenado. Na
presença de H2, este dieno é reduzido obtendo-se o complexo planar quadrado solvatado, II, ao qual
ocorre a coordenação do substrato, formando-se os diastereoisómeros de Rh(I), III e III’. A velocidade
com que ocorre o passo seguinte, a adição oxidativa da molécula de H2 está descrita como sendo o passo
determinante da enantiosselectividade global do processo catalítico, obtendo-se, em geral, como produto
maioritário, o enantiómero resultante da reacção do diastereoisómero mais reactivo.
Da análise dos resultados apresentados na Tabela 3.1, entradas 8 e 9, o excesso enantiomérico da
reacção com o ligando 2.6 é apenas da ordem de 24%, o que indica que a reactividade dos dois
diastereoisómeros III e III’ é semelhante. Tal facto também pode ser interpretado pelos baixos valores
do ângulo de complexação (bite angle) do ligando 2.6, no complexo 2.10, apresentado no Capítulo 2, ser
de aproximadamente 97.7º (valor calculado da estruturara de mais baixa energia obtida em DFT), que
favorecem claramente a formação de um quelato com os dois átomos de fósforo em posição
axial-equatorial, um complexo com menos impedimento estereoquímico do que um bis-equatorial, como
o que é formado pelo ligando 2.5 no complexo 2.9, com um ângulo de complexação de 165.1º (valor
calculado da estruturara de mais baixa energia obtida em DFT, Capítulo 2).
A redução da actividade do ligando 2.6, de 96 para 70 % de conversão, com o abaixamento da
pressão de 10 para 2 bar, indica que o passo que determina a velocidade da reacção é a adição oxidativa,
de hidrogénio, a qual origina um complexo octaédrico de Rh(III), espécie VI, Esquema 3.4.
3 Reacções de hidrogenação enantiosselectiva catalisada por complexos de ródio com fosfitos derivados do BINOL
65
Referências
1 Y. Fu, X. Guo, S. Zhu, A. Hu, J. Xie, Q. Zhou, J. Org. Chem., 69 (2004) 4655.
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Integrated Approach to Homogeneous, Heterogeneous and Industrial Catalysis), Elsevier, Amsterdam, 79 (1993).
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Feringa, J. Am. Chem. Soc., 122 (2000) 11539.
4 R.M.B. Carrilho, A.R. Abreu, G. Petöcz, J. Carles Bayón, M.J.S.M. Moreno, L. Kollár, M.M. Pereira, Chemistry
Letters., 38 (2009) 844.
5 Z. Hua, V.C. Vassar, I. Ojima, Org. Lett., 5 (2003) 3831.
6 C.A. Tolman, Chem. Rev., 77 (1977) 313.
7 R.M.B. Carrilho, M.A.O. Lourenço, A.C.B. Neves, A.R. Abreu, M.T.S. Rosado, P.E. Abreu, M.E.S. Eusébio, L.
Kollár, J.C. Bayón, M.M. Pereira, Catal. Sci. Technol. (2011) submetido para publicação.
8 W.S. Knowles, Acc. Chem. Res., 16 (1983) 106.
4 Conclusões
67
Capítulo 4
Conclusões
Os estudos apresentados nesta dissertação são de foro interdisciplinar e envolveram quatro
temas diferentes:
i) Síntese orgânica do ligando do tipo monofosfito 2.3;
ii) Síntese inorgânica dos complexos de ródio 2.7, 2.8, 2.9 e 2.10 e respectiva caracterização
recorrendo a estudos de RMN de 31
P, e quando possível, espectroscopia de massa e IV;
iii) Cálculos de estrutura electrónica a nível PM6 e DFT de ligandos derivados do BINOL 2.3, 2.4,
2.5 e 2.6 e respectivos complexos metálicos, 2.7, 2.8, 2.9 e 2.10;
iv) Avaliação da actividade catalítica dos ligandos 2.3, 2.4, 2.5 e 2.6 na reacção de hidrogenação
catalítica assimétrica do itaconato de dimetilo.
Inicialmente foi desenvolvida a síntese do monofosfito, tris[(S)-2’-adamantanoato de 1,1’-binafto-
2-ilo] fosfito, 2.3, numa síntese de dois passos que envolveu a monoprotecção do (S)-BINOL com
cloreto de adamantanoílo, seguida da reacção com tricloreto de fósforo, (PCl3) na presença de
4 Conclusões
68
trietilamina, obtendo-se rendimentos do produto isolado de 82% para o intermediário 2.1 e de 38% para
o monofosfito 2.3. Os baixos rendimentos da segunda etapa da reacção devem-se à elevada reactividade
dos compostos de fósforo na presença de água e oxigénio, que podem hidrolisar e oxidar o fosfito
durante o processo de isolamento e purificação cromatográfica.
A determinação da estrutura dos complexos metálicos recorrendo a técnicas de RMN de 31
P in
situ para os complexos 2.7, 2.8, 2.9 e espectroscopia de massa e infra-vermelho para o ligando 2.10
permitiu-nos propor as estruturas dos complexos, as quais foram submetidas e corroboradas por cálculos
computacionais a nível PM6 e DFT.
Para os complexos do tipo monofosfito, 2.7 e 2.8 cuja diferença estrutural se encontra no grupo R
situado na posição 2’ do BINOL, pode concluir-se que esse grupo tem uma grande influência no tipo de
complexo formado com apenas um ligando coordenado, um monodentado para o complexo 2.7 e um do
tipo bidentado coordenado pelo átomo de fósforo e com uma coordenação hemilábil pelo átomo de
oxigénio do grupo éter, para o 2.8, permitindo este ainda a coordenação de dois ligandos, devido às
diferentes liberdades conformacionais desses grupos.
Também no caso dos ligandos do tipo bis-BINOL-fosfito, 2.9 e 2.10, que diferem apenas num
grupo metilo situado nas posições 2,6 da ponte de piridina, observou-se que essa pequena diferença
estrutural influencia também o tipo de complexo formado, o 2.9 forma um quelato do tipo PNP,
enquanto o 2.10 um do tipo PP.
Para complementar estas observações, seria interessante, no futuro, a continuação de estudos de
coordenação que permitam o isolamento dos complexos com os ligandos monofosfito, 2.7, 2.8, de forma
a possibilitar a sua completa caracterização.
Dos resultados obtidos da optimização da estrutura electrónica dos ligandos do tipo monofosfito
de simetria C3, com quiralidade helicoidal, 2.3 e 2.4, a nível PM6 e DFT, foi possível observar uma boa
correlação entre os resultados obtidos pelos dois métodos, principalmente para o ligando com menor
liberdade conformacional, 2.3, imposta pelo grupo substituinte na posição 2’ do BINOL, o
adamantanoato, e determinar alguns parâmetros relevantes para a análise dos resultados catalíticos,
nomeadamente, o ângulo cónico.
Pelos resultados dos cálculos computacionais efectuados, observa-se que apesar dos métodos
semi-empíricos apresentarem a grande vantagem de um menor custo computacional, quando se pretende
optimizar moléculas que contenham, na sua estrutura, metais de transição, nomeadamente o ródio,
existem ainda algumas limitações. Da optimização da estrutura do complexo 2.8A, em PM6 nunca se
obteve o composto hemilábil, devido à parametrização do método, no entanto, a mesma estrutura
optimizada em DFT resultou na espécie 2.8A’, o complexo de ródio com o ligando coordenado pelo
4 Conclusões
69
átomo de fósforo e pelo oxigénio do grupo éter que pode no meio catalítico formar uma coordenação
hemilábil. No entanto, a nível da estrutura dos ligandos 2.3, 2.4, 2.5 e 2.6 e dos complexos 2.9 e 2.10, as
geometrias obtidas pelos dois métodos são bastante semelhantes, observando-se sempre maiores
diferenças nas moléculas com maior liberdade conformacional. Podemos pois concluir que na
optimização da estrutura dos ligandos, constituídos pelos elementos C, O, H, N e P, que já estão bem
parametrizados, o método PM6 conduziu a resultados semelhantes aos obtidos por DFT e, atendendo à
morosidade dos cálculos pelo segundo método, consideramos que é recomendável a utilização do
método PM6. Pelo contrário, no caso dos complexos de ródio o método PM6 apresentou algumas
limitações, porque apenas foi parametrizado para cerca de 68 compostos e apenas para o Rh(I) com
estrutura planar quadrada, pelo que, neste caso o DFT é um método muito mais fiável.
Os métodos computacionais PM6 permitiram avaliar a interacção preferencial do ião lítio com os
heteroátomos de oxigénio, azoto e com o sistema π dos complexos de ródio dos ligando ditópicos, 2.9 e
2.10 e 2.11. Estão presentemente a decorrer estudos complementares para correlacionar estes dados com
resultados experimentais, onde se observou um aumento na regiosselectividade da hiroformilação do
estireno na presença destes sais, assim como estudos de RMN in situ.
A avaliação da actividade e selectividade dos diferentes catalisadores, preparados in situ a partir
dos precursores de ródio [Rh(cod)2]OTf e [Rh(cod)2]BF4 dos ligandos 2.3, 2.4, 2.5 e 2.6 revelou elevada
dependência, tanto da estrutura do pré-catalisador como do ligando.
As melhores actividades foram obtidas com o precursor [Rh(cod)2]OTf na presença do ligando
2.6, com 96% de conversão após 24 horas a uma pressão de 10 bar de H2, mas com apenas 2% de
excesso enantiomérico. Este resultado foi interpretado pelo valor do ângulo cónico, determinado através
da estrutura obtida em DFT, que é de 97.5º, favorecendo a formação de um quelato axial-equatorial, o
qual é desfavorável em termos da enantiosselectividade global da reacção. Em contraste, o sistema
formado pelo precursor [Rh(cod)2]BF4 com o ligando 2.5, apresentou apenas 3% de conversão após 75
horas.
O sistema catalítico mais selectivo foi o que envolveu o precursor [Rh(cod)2]OTf e o ligando 2.3 a
uma pressão de 2 bar, com 36 e 87 % de conversão após 24 e 48 horas, respectivamente, e 62% de
excesso enantiomérico. Este resultado foi interpretado pelas estruturas obtidas a partir dos cálculos de
estrutura electrónica do complexo 2.7 e estudos de RMN de 31
P in situ, que apontam para a existência de
uma estrutura organizada do tipo M, com pouca liberdade conformacional, imposta pela presença de um
grupo rígido e volumoso na posição 2’ do BINOL, o adamantanoato, tendo-se atribuído como um dos
principais factores para a elevada indução de quiralidade do sistema catalítico.
A avaliação do efeito da pressão de H2 com os sistemas catalíticos formados pelo precursor
[Rh(cod)2]OTf com os ligandos 2.4 e 2.6 revelaram também que a actividade depende da pressão global
4 Conclusões
70
de H2, tendo-se observado uma diminuição a actividade com o abaixamento da pressão de 10 para 2 bar,
em ambos os sistemas catalíticos, tendo sido mais acentuada para o sistema que envolveu o ligando 2.4,
de 46 para 20% de conversão. Este facto foi interpretado pelas estruturas obtidas pelos cálculos DFT, e
pelos estudos de RMN de 31
P, que apontam para a formação de um complexo hemilábil, com dois
ligandos coordenados.
Para complementar estes estudos propomos a utilização, no futuro, de outros substratos, bem
como de outros materiais, no sentido de racionalizar o envolvimento ou não da espécie hemilábil durante
o processo catalítico.
71
Capítulo 5
Experimental
Neste capítulo serão descritas as principais metodologias e técnicas computacionais e
experimentais utilizadas no decorrer desta dissertação, as condições de reacção de síntese de ligandos e
complexos metálicos, respectivas caracterizações, bem como as condições de reacção dos processos
catalíticos.
5.1. Métodos computacionais
De forma a optimizar as estruturas dos ligandos pelo método semi-empírico PM61 foram gerados
50 confórmeros para cada um deles, utilizando o programa MarvinView,2 os quais foram depois
optimizados com o programa Mopac 2009.3 Seguidamente seleccionaram-se os de mais baixa energia
para calcular os parâmetros geométricos relevantes e gerar os respectivos complexos metálicos.
De forma a simular o efeito do solvente nas estruturas, os cálculos foram efectuados com base no
modelo COSMO,4 que simula um meio contínuo polarizável, usando as respectivas constantes
dieléctricas, ε, dos solventes que se pretendem simular (THF = 7.52 e CH2Cl2 = 8.93).
5 Experimental
72
Os confórmeros de mais baixa energia de cada um dos ligandos, bem como os respectivos
complexos metálicos foram optimizados a um nível de cálculo superior, DFT, usando um funcional
híbrido B3LYP,5 uma base de funções vdz
6 e, como ECP, o conjunto de base LANL,
7 no programa
ORCA 2.8.8
A construção e a visualização das moléculas foram efectuadas através dos programas Avogrado9
(versão 0.9.2), Molden10
(versão 4.6) e MarvinView.2
5.2. Instrumentação e solventes
5.2.1 Procedimentos gerais
Todos os produtos sensíveis ao ar foram manipulados sob atmosfera de azoto e em linha de vácuo,
através de técnicas de Sclenck.
Todos os solventes utilizados foram secos e purificados segundo métodos descritos na literatura,11
por destilação simples, para os solventes usados na purificação do produto 2.1 e por secagem para todos
os que foram utilizados nas reacções que incluíram compostos de fósforo.
Devido à elevada reactividade dos fosfitos, que hidrolisam na presença de água, todo o material
utilizado nas reacções que envolveram estes compostos foi devidamente lavado e seco na estufa (a uma
temperatura de aproximadamente 170 ºC) durante pelo menos 24h.
Os solventes e reagentes líquidos utilizados neste processo foram secos através de um sistema de
destilação apresentado na Figura 5.1 colocando-se no topo uma torre de cloreto de cálcio anidro, para
evitar a entrada de água.
Os solventes e reagentes, THF, trietilamina, n-hexano e tolueno, foram secos a partir de sódio
metálico e benzofenona como indicador. A recolha só foi efectuada depois de se observar a cor azul,
típica do anião radical cetilo (só se forma na ausência de água). O diclorometano foi destilado na
presença de hidreto de cálcio e recolhido para um balão com peneiros moleculares activados de 4 Å.
5 Experimental
73
Figura 5.1: Esquema da montagem da destilação para secagem de solventes.
Os reagentes são comerciais e foram utilizados sem purificação prévia.
A evolução das reacções foi controlada por cromatografia em camada fina, placas de TLC
(Merck), com 0,20 mm de espessura, com indicador de fluorescência UV254 e UV366.
As separações cromatográficas em coluna foram realizadas utilizando sílica gel 60 (Merck), cuja
granulometria está compreendida entre 0,063 nm e 0,500 nm.
Os espectros de ressonância magnética nuclear (RMN) foram realizados num espectrómetro
BrukerAvance III 400 do Departamento de Química da Universidade de Coimbra. Os desvios químicos
(δ) apresentados são expressos em partes por milhão (ppm) e as constantes de acoplamento (J) em Hertz
(Hz). O padrão interno para o RMN 1H e RMN
13C é o tetrametilsilano (TMS), e para o RMN de
31P é o
ácido fosfórico (H3PO4). Os dados obtidos encontram-se indicados pela ordem seguinte: Núcleo
(aparelho, solvente): desvio químico (δ, ppm) [multiplicidade do sinal (s – singuleto, d – dupleto,
t – tripleto, q – quarteto, dd – duplo dupleto, m – multipleto), constante de acoplamento (J, em Hertz),
intensidade relativa (nH, como número de protões), atribuição na estrutura.
Os espectros de massa de alta resolução foram efectuados num aparelho Bruker microTOFQ, na
unidade de espectroscopia de massas e proteómica da Universidade de Santiago de Compostela.
5 Experimental
74
O ponto de fusão do composto sintetizado foi medido num microscópio de capilar
Electrothermal-Melting Point Apparatus.
As conversões foram determinadas por cromatografia gasosa, num cromatógrafo HP – Agilent
6890 do Departamento de Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra,
equipado com um detector de ionização em chama (FID) e uma coluna HP-5 da Hewlett Packard de
30 m de comprimento e 0.32 mm de diâmetro interno. O equipamento está ligado a um computador e a
aquisição e tratamento dos dados foi efectuada através da utilização do programa Agilent ChemStation e
35900E A/D converter.12
Método de determinação da conversão do dimetil metilsuccinato: temperatura inicial de 100 ºC
durante 10 minutos; rampa de 20 ºC/min até aos 280 ºC durante 5 minutos; rampa de 5 ºC/min até aos
300 ºC durante 5 minutos; fluxo de azoto na coluna: 1.6 mL/min; temperatura do injector: 200 ºC e do
detector 250 ºC.
A determinação do excesso enantiomérico foi efectuada por cromatrografia gasosa num
cromatógrafo Agilent 6890 equipado com uma coluna capilar cromatográfica β-ciclodextrin (Supelco
β-Dex120, 30 m x 0.25 mm). A aquisição e tratamento de dados foram efectuados através do programa
Agilent ChemStation.
Método de determinação do excesso enantiomérico do dimetil metilsuccinato: isotérmica 55ºC
durante 160 minutos, 5ºC/min até aos 140 ºC; fluxo de hélio na coluna: 1.0 mL/minuto; temperatura do
injector: 220 ºC; temperatura do detector 240 ºC.
A determinação da conversão e excessos enantioméricos das reacções de hidrogenação
foram efectuadas directamente através das relações das áreas dos picos observados nos cromatogramas e
foram calculados pelas fórmulas seguintes:
5 Experimental
75
5.3 Síntese de ligandos de fósforo
O ligando tris[(S)-2’-benziloxi-1,1’-binafto-2-ilo] fosfito, 2.4 foi sintetizado e gentilmente cedido
por Rui Carrilho13
e os difosfitos com pontes de piridina, 2,6-bis((11bR)-dinafto[2,1-d:1’,2’-
f][1,3,2]dioxafosfepin-4-iloxi)piridina, 2.5 e 2,6-bis((11bR)-dinafto[2,1-d:1’,2’-f][1,3,2]dioxafosfepin-4-
iloxi)metil)piridina 2.6, por Andreia Peixoto,14
no Grupo de Catálise & Química Fina da UC.
5.3.1 Síntese do precursor [(S)-2’-adamantanoato de 1,1’-binafto-2-hidroxilo],
2.1
Colocou-se, num Schlenk seco e em atmosfera de azoto o (S)-2,2’-dihidroxi-1,1’-binaftilo ((S)-
BINOL) (17 mmol), previamente seco azeotropicamente com tolueno, 4-dimetilaminopiridina (0,17
mmol), trietilamina (22,1mmol, 3.1 mL) e THF seco (75 mL). Arrefeceu-se a mistura a 0ºC e adicionou-
se, gota-a-gota, o cloreto de adamantanoílo (17 mmol) dissolvido em 10 mL de THF. No fim da adição
deixou-se a mistura à temperatura ambiente até completo desaparecimento do material de partida (o
controlo da reacção foi efectuado por cromatografia em camada fina). Após desaparecimento de todo o
substrato (30 horas), adicionou-se água destilada e extraiu-se a fase orgânica com acetato de etilo (3 x 40
mL). As várias fases orgânicas resultantes da extracção foram reunidas e lavadas com uma solução
saturada de hidrogenocarbonato de sódio, outra de cloreto de sódio (BRINE) e depois secas com sulfato
de sódio anidro. Os solventes voláteis foram evaporados sob pressão reduzida. O produto obtido foi
purificado numa coluna cromatográfica em sílica gel usando-se como eluente uma mistura de
diclorometano / n-hexano (3:1). Recolheram-se as fracções pretendidas e os solventes voláteis foram
evaporados sob pressão reduzida.
(2.1): Rendimento: 82 % (6.21 g, 0.01 mol);
RMN 1H (400 MHz, CDCl3), δ, ppm: δ 1.38 – 1.45 (m, 8H, CH), 1.53-
1.60 (m, 4H, CH), 1.77 (s, 3H, CH), 7.05 (d, J = 8 Hz, 1H, OH), 7.30-7.40
(m, 6H, Ar), 7.43-7.52 (m, 1H, Ar), 7.83 (d, J = 8 Hz, 1H, Ar), 7.83 (d, J =
8 Hz, 1H, Ar), 7.88 (d, J = 12.1 Hz, 1H, Ar), 7.97 (d, J = 8.1 Hz, 1H, Ar),
8.06 (d, J = 8.8 Hz, 1H, Ar);
O
OH
C
O
5 Experimental
76
RMN 13
C (100 MHz, CDCl3), δ, ppm: δ 27.63, 36.20, 38.02, 40.68, 114.29, 118.27, 121.93, 123.00,
123.48, 124.65, 125.65, 126.16, 126.63, 127.41, 127.87, 128.32, 129.05, 130.23, 130.68, 132.16, 133.48,
133.65, 148.36, 151.78, 176.96;
EM (ESI-TOF): 471.1936 (M+Na) calculado para C31H28O3Na+ 471.1936 (Figura 2.1, Capítulo 2).
5.3.2 Síntese do monofosfito tris[(S)-2’-adamantanoato de 1,1’-binafto-2-ilo]
fosfito, 2.3
Colocou-se num Schlenk seco e sob atmosfera de azoto, (S) -2’-adamantanoato de 1,1’-binafto-2-
hidroxilo, 2.1, preparado anteriormente (3.41 mmol, 1.53 g), previamente seco azeotropicamente com
tolueno, 50 mL de THF, Et3N (4.09 mmol, 0.6 mL), secos e recentemente destilados, e arrefeceu-se a
mistura até aos 0ºC. Seguidamente adicionou-se PCl3 (1.13 mmol, 0.1 mL), gota-a-gota, destilado sob
vácuo imediatamente antes de ser utilizado. No fim da adição, colocou-se a reacção à temperatura
ambiente até completo desaparecimento do material de partida. O controlo do evoluir da reacção foi
efectuado por RMN de 31
P através de aliquotas retiradas do meio reaccional, cujo espectro foi
apresentado no Capítulo 2, Figura 2.1.
A primeira análise foi efectuada ao fim de 17 horas, em CDCl3, obteve-se um sinal a δ = 134.5
ppm e outro a δ = 159.3 ppm, típicos do monofosfito tri-substituído, 2.3 e di-substituído, 2.3a,
respectivamente. Ao fim de 21 horas, o espectro de RMN de 31
P, em CDCl3, apresentava o sinal a
δ = 134.5 ppm e os picos na zona do zero que correspondem a fosfito oxidado. Finalizada a reacção, os
solventes foram evaporados a pressão reduzida e adicionada uma pequena quantidade de tolueno de
forma a dissolver o fosfito e precipitar os sais de amina formados os quais foram posteriormente
retirados por filtração em celite, com um funil de filtração em atmosfera inerte. A concentração do
filtrado foi efectuada por evaporação a pressão reduzida, directamente do Schlenk de reacção.
No RMN de 31
P deste filtrado, em CDCl3, Figura 2.2, Capítulo 2, além do sinal do fosfito a
δ = 134.5 ppm, continuava a aparecer uma grande percentagem de fosfito hidrolisado De forma a
confirmar este resultado, efectuou-se o espectro em tolueno deuterado, observando-se agora, além do
hidrolisado, novamente, dois sinais um a δ = 134.5 e outro δ = 159.3 ppm. Procedeu-se, de seguida à
purificação do produto. Este foi dissolvido numa mistura diclorometano/n-hexano (1:1) secos e
recentemente destilados, e purificado numa coluna cromatográfica em sílica gel, efectuada em atmosfera
de azoto, usando-se como eluente, a mesma mistura, e as diferentes fracções com os produtos 2.3, 2.3b,
5 Experimental
77
O
O
P
OO
O
O
Ad
Ad
H
O
O
O
P
OO
O
O
Ad
Ad
OH
2.3c e foram recolhidas em Sclenks separados, concentradas sob vácuo e analisadas por RMN de 31
P
(ver Figura 2.3, capítulo 2) e espectroscopia de massa ESI, obtendo-se o produto 2.3 puro.
(2.3) Rendimento: 38% (594.5 mg, 0.43 mmol)
RMN 1H (400 MHz, tol.D), δ, ppm: δ 1.28 – 1.39 (m, 36H, CH), 1.59
(s, 9H, CH), 6.75 – 6.78 (m, 6H, Ar), 6.82 – 6.86 (m, 3H, Ar), 6.9 -7.18
(m, 12H, Ar), 7.29 (d, J = 12 Hz, 3H, Ar), 7.36 – 7.42 (m, 6H, Ar), 7.57
(t, J = 8 Hz, 6H, OArH);
RMN 31
P (161 MHz, tol.D), δ, ppm: δ 134.45 (s), ( Figura 2.3 ii, Capítulo 2).
EM (ESI-TOF): 1396.5568 (M+Na) calculado para C31H28O3Na+ 1396.5549 (Figura 2.5, capitulo 2).
Ponto de fusão: 258 – 263 ºC.
Os dados espectroscópicos de RMN e massa estão de acordo com a literatura.15
Os produtos secundários, resultantes da purificação foram os fosfitos di-substituidos, hidrolisado,
2.3b e oxidado, 2.3c.
(2.3b)
RMN de 31
P (161 MHz), tol.D), δ, ppm = δ = 129.4 8 (s). Ver Figura 2.3 i,
capítulo 2.
EM (ESI-TOF): 965.3533 (M+Na) calculado para C62H55O7PNa+
965.3578
(Figura 2.4 i, Capítulo 2).
(2.3c)
RMN de 31
P (161 MHz), tol.D), δ, ppm = δ = -1.20 (s), -8.5 (s) (Figura
2.3 iii, Capítulo 2).
EM (ESI-TOF): 965.3514 (M+Na) calculado para C62H55O7PNa+
965.3578
(Figura 2.4 i, Capitulo 2).
P
3
O
O
C
O
5 Experimental
78
5.4 Síntese de complexos metálicos
5.4.1 Procedimento geral para a síntese de complexos de Rh (I) com
monofosfitos, 2.7 e 2.8
Pesou-se para um Schlenk, seco, o precursor de ródio [Rh(cod)2]OTf e o ligando, e adicionou-se,
via seringa, CDCl3 (2mL) , em atmosfera de azoto, obtendo-se uma solução amarela. Deixou-se em
agitação durante aproximadamente 30 minutos e registou-se o espectro de RMN de 31
P. Seguidamente
adicionou-se mais 1 equivalente de ligando à solução e voltou-se a registar o espectro de RMN de 31
P.
Complexo 2.7A: [Rh(cod)2]OTf (7 x 10-3
mmol, 3.3 mg) e ligando 2.3 (7 x 10-3
mmol, 10 mg)
31
P RMN (161 MHz, CDCl3), δ, ppm: 100.9 (d, JRh-P = 267.3 Hz) (Figura 2.6 ii, Capítulo 2).
Complexo 2.7B: [Rh(cod)2]OTf (7 x 10-3
mmol, 3.3 mg) e ligando 2.3 (14 x 10-3
mmol, 20 mg)
31P RMN (161 MHz, CDCl3) δ, ppm: δ 100.9 (d, JRh-P = 267.3 Hz), 132.5 (s) (Figura 2.6 iii,
Capítulo 2).
Complexo 2.8A: [Rh(cod)2]OTf (6.5 x 10-3
mmol, 3.04 mg) e ligando 2.4 (6.5 x 10-3
mmol, 7.5 mg)
31P RMN (161 MHz, CDCl3), δ, ppm: δ 105.9 (d, JP-Rh = 259.2 Hz) (Figura 2.7 ii, Capítulo 2).
Complexo 2.8B: [Rh(cod)2]OTf (6.5 x 10-3
mmol, 3.04 mg) e ligando 2.4 (13 x 10-3
mmol, 15 mg)
31P RMN (161 MHz, CDCl3), δ, ppm: δ 104.0 (d, JP-Rh = 270.5 Hz), 132.5 (s) (Figura 2.7 iii,
Capítulo 2).
5.4.2. Procedimento geral para a síntese de complexos de Rh (I) modificados
com difosfitos, 2.9 e 2.10
O complexo 2.9 foi sintetizado no Grupo de Catálise & Química Fina da UC e gentilmente cedido
por Andreia Peixoto.14
5 Experimental
79
Complexo 2.10
Pesou-se para um Schlenk, seco, o precursor de ródio dímero, [Rh-μ-Cl(CO)2]2 (19.5 x10-3
mmol,
7.5 mg) e o ligando 2.6 (39 x10-3
mmol, 30 mg) e efectuam-se três ciclos de vácuo-azoto. De seguida
adicionam-se, via seringa, THF (2mL) seco, obtendo-se uma solução amarela, a qual foi mantida em
agitação durante 1 hora. Adicionou-se n-hexano seco à solução até ficar turva e colocou-se no
congelador durante 2 dias. De seguida filtrou-se e secou-se, sob vácuo, o produto amarelo.
(2.10) Rendimento: 68% (24.3 mg, 26 x 10-3
mmol).
RMN 31
P (161 MHz, tol.D), δ, ppm: δ 148.62 (dd, 1JRh-P =
289.94 Hz, 2JP-P = 48.59 Hz), 151.95 (dd,
1JRh-P = 281.03 Hz,
2JP-P = 48.59 Hz,
2JP-P = 46.97 Hz) (Figura 2.9ii, Capítulo 2).
EM (ESI-TOF): 898.0616 [(M+-(Cl)] calculado para
C48H31NO7P2Rh 898.0600 (Figura 2.11, Capítulo 2).
IR [KBr, (cm-1
)]: 2008.7 (CO) (Figura 2.10, Capítulo 2).
5.5 Procedimento geral para a hidrogenação catalítica assimétrica do
dimetil itaconato (DMI)
Na Figura 5.2 está representado o esquema do reactor e o sistema de gases utilizado nas reacções
de hidrogenação.
Figura 5.2: Esquema da linha de gases das reacções de hidrogenação.
N
O O
PPO
O
O
O
Rh
ClOC
5 Experimental
80
No interior do autoclave, dentro de um copo de vidro, colocou-se o percursor de ródio,
[Rh(cod)2]BF4 ou [Rh(cod)2]OTf (15.8 x 10-3
mmol) uma barra magnética, e, quando utilizado, o
ligando no estado sólido, (2.3 e 2.4, 31.6 x 10-3
mmol e 2.5 e 2.6, 15.8 x 10-3
mmol) desde que seja
possível efectuar pesagem para as quantidades estequiométricas necessárias e no final fechou-se o
autoclave. Ligou-se o sistema de gases ao reactor mantendo a válvula de ligação fechada e fizeram-se
ciclos de evacuação do ar, pelo menos três vezes. Introduziu-se 1mL do solvente da reacção, pela
ligação do reactor ao exterior (cânula) com o auxílio de uma seringa, mantendo-se a válvula que liga o
reactor ao sistema de gases, fechada e deixou-se em agitação cerca de 30 minutos à temperatura
reaccional de 30ºC. Preparou-se uma solução de itaconato de dimetilo (1.58 mmol) no solvente da
reacção ( 2 mL), usando técnicas de Schlenk, a qual é adicionada ao reactor via cânula. Seguidamente,
adicionou-se 1 mL de solvente para lavar a mesma. Posteriormente, iniciou-se um ciclo de evacuação do
ar, alternando vácuo com entrada de H2, pelo menos três vezes, ficando no final o reactor em vácuo.
Abriu-se a válvula de entrada de H2 e, com ajuda de um manómetro, pressurizou-se o autoclave com a
pressão pretendida de H2, Figura 5.3.
Ligou-se o sistema de aquecimento ao autoclave e regulou-se a temperatura para 30 ºC, usando
uma manta de aquecimento e um termopar em contacto com a solução. Finalmente ligou-se a agitação e
deu-se início à reacção de hidrogenação.
Os resultados e alterações ao procedimento geral encontram-se resumidos na Tabela 3.1 do
Capítulo 3.
Figura 5.3: Esquema do reactor.
Terminada a reacção, retirou-se a pressão cuidadosamente, iniciando um ciclo de vácuo.
5 Experimental
81
O produto reaccional é analisado por cromatografia gasosa com objectivo de determinar a
conversão, sendo, de seguida, concentrado em vácuo. O produto é dissolvido em n-hexano, ficando o
complexo precipitado, e, de seguida, passado por uma coluna de sílica gel. Sendo a amostra analisada
por cromatografia gasosa de forma a determinar o excesso enantiomérico.
Determinação da conversão do dimetil metilsuccinato:
tr (dimetil metilsuccinato) = 3.4 minutos; tr (itaconato de dimetilo) = 3.9 minutos
Determinação do excesso enantiomérico do dimetil metilsuccinato:
tr ((R) dimetil metilsuccinato) = 150.9 minutos; tr ((S) dimetil metilsuccinato) = 152.1 minutos;
tr (itaconato de dimetilo) = 170.0 minutos.
5 Experimental
82
Referências
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